碱金属在石墨烯表面吸附，迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了3种碱金属（Li,Na,K）在石墨烯表面的吸附性质,迁移行为和电学性质。结果表明：3种碱金属在石墨烯表面的最稳定吸附位都是H位;吸附过程中电荷由碱金属原子向石墨烯片层转移。Li→Na→K,吸附能先减小再增大,吸附的强弱顺序为Li−石墨烯体系强于K −石墨烯体系和Na−石墨烯体系;体系的离子性逐渐增强;碱金属原子在石墨烯表面的迁移激活能逐渐降低,迁移行为更容易实现。     

碱金属在石墨烯表面吸附,迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了3种碱金属(Li,Na,K)在石墨烯表面的吸附性质,迁移行为和电学性质.结果表明:3种碱金属在石墨烯表面的最稳定吸附位都是H位;吸附过程中电荷由碱金属原子向石墨烯片层转移.Li→Na→K,吸附能先减小再增大,吸附的强弱顺序为Li-石墨烯体系K-石墨烯体系Na-石墨烯体系;体系的离子性逐渐增强;碱金属原子在石墨烯表面的迁移激活能逐渐降低,迁移行为更容易实现.     

碱金属在磷烯表面吸附，迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的平面波赝势方法研究了碱金属（Li、Na、K）−磷烯体系,分析了体系的吸附性质、电学性质和迁移行为. 结果表明：碱金属在磷烯表面的最稳定吸附位都是H位.吸附过程中电荷由碱金属原子转移到磷烯,碱金属−磷烯体系表现出一定的离子性. 碱金属−磷烯体系的吸附能从大到小为ΔELi−磷烯大于ΔEK−磷烯大于ΔENa−磷烯. Li→Na→K,随着原子序数的递增,体系的离子性逐渐增强;碱金属原子越来越容易在磷烯表面迁移.     

碱金属在磷烯表面吸附和迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的平面波赝势方法研究了碱金属(Li、Na、K)-磷烯体系,分析了体系的吸附性质、电学性质和迁移行为.结果表明:碱金属在磷烯表面的最稳定吸附位都是H位.吸附过程中电荷由碱金属原子转移到磷烯,碱金属-磷烯体系表现出一定的离子性.碱金属-磷烯体系的吸附能从大到小为ΔE_(Li-磷烯)ΔE_(K-磷烯)ΔE_(Na-磷烯).Li→Na→K,随着原子序数的递增,体系的离子性逐渐增强;碱金属原子越来越容易在磷烯表面迁移.     

双层石墨烯吸附碱金属原子的第一性原理研究

基于密度泛函的第一性原理方法,研究了Li、Na、K和Rb碱金属原子吸附在双层石墨烯(BLG)表面的吸附能、迁移行为、电子性能.研究发现,Li和Na原子在BLG表面吸附易形成团簇,K和Rb原子能够分散吸附.碱金属原子在BLG表面的扩散能垒随原子半径的增加而减小.碱金属原子吸附使电子部分转移至BLG,使体系Fermi能级贯穿导带,表现出金属性.电荷密度差和电荷转移的分析表明,Li、Na、K和Rb与BLG表面以离子键结合.     

双层石墨烯吸附碱金属原子的第一性原理研究

基于密度泛函的第一性原理方法,研究了Li、Na、K和Rb碱金属原子吸附在双层石墨烯(BLG)表面的吸附能、迁移行为、电子性能. 研究发现,Li和Na原子在BLG表面吸附易形成团簇,K和Rb原子能够分散吸附. 碱金属原子在BLG表面的扩散能垒随原子半径的增加而减小. 碱金属原子吸附使电子部分转移至BLG,使体系Fermi能级贯穿导带,表现出金属性. 电荷密度差和电荷转移的分析表明,Li、Na、K和Rb与BLG表面以离子键结合.     

碱金属在GaAs(110)表面上的吸附

本文讨论Li,Na,K,Cs在GaAs(110)表面上的吸附,考虑理想表面和弛豫表面两种情况。计算采用集团模型,用电荷自洽的ExtendedHucheltheory(缩写为EHT)方法进行。结果表明,吸附后表面原子趋向于理想位置,碱金属原子位于垂直于表面沿[001]方向横跨表面Ga原子的对称平面上。碱金属吸附后的费密能级在价带顶以上约0.7eV处,是由表面Ga原子与碱金属原子间的相互作用决定的。而在价带中碱金属原子主要与表面As原子成键。 关键词：     

碱金属修饰的多孔石墨烯的储氢性能

基于第一性原理深入研究了碱金属原子(Li,Na,K)修饰的多孔石墨烯(PG)体系的储氢性能,并且通过从头算分子动力学模拟了温度对Li-PG吸附的H2分子稳定性的影响.研究结果表明,PG结构的碳环中心是碱金属原子最稳定的吸附位置,PG单胞最多可以吸附4个碱金属原子,Li原子被束缚最强,金属原子间无团聚的倾向;H2分子通过极化机制吸附在碱金属修饰的PG结构上,每个金属原子周围最多可以稳定地吸附3个H2分子;Li-PG对H2分子的吸附最强(平均吸附能为-0.246 eV/H2),Na-PG对H2分子的吸附较弱(平均吸附能为-0.129 eV/H2),K-PG对H2分子的吸附最弱(平均吸附能为-0.056 eV/H2),不适合用做储氢材料;在不考虑外界压强且温度为300 K的情况下,Li-PG结构可稳定地吸附9个H2分子,储氢量为9.25 wt.%;在400 K时,有7个吸附H2分子脱离Li-PG的束缚,在600-700 K的范围内,吸附H2分子全部脱离了Li-PG体系的束缚.     

氮掺杂双层石墨烯吸附钠的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,对Na在本征双层石墨烯(PBLG)和不同掺杂浓度的N掺杂石墨烯(NBLG)表面的吸附性质进行了研究.确定了不同N掺杂浓度时NBLG的最稳定N分布结构,计算了Na在PBLG和不同掺杂浓度的NBLG表面的吸附能.计算结果表明,N原子掺杂倾向于取代对位或次临近位置的C原子,并与下层C原子相对;随着N掺杂浓度的增加,吸附高度逐渐增加,且与掺杂N原子分布相匹配; Na在PBLG表面吸附使平均层间距增加,而在NBLG表面吸附使之减小; Na与C_(27)N_9表面的结合最稳定.     

B、N掺杂对钠在石墨烯上吸附性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯及缺陷石墨烯对Na原子的吸附行为。主要研究了三种石墨烯：本征石墨烯、B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯。结果表明,与本征石墨烯相比,B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯在吸附能、电荷密度、态密度和储钠量方面表现出很大的差异。B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能是-1.93 eV,约为本征石墨烯对Na原子吸附能的2.7倍;与本征石墨烯相比,N掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能明显增大。态密度计算结果表明,Na原子与B掺杂的石墨烯中的B原子发生轨道杂化,而本征石墨烯和N掺杂的石墨烯中不存在轨道杂化现象。B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附量是3个,与本征石墨烯相比显著提高。因此,B掺杂的石墨烯有望成为一种新型的储钠材料。     

B、N掺杂对钠在石墨烯上吸附性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯及缺陷石墨烯对Na原子的吸附行为.主要研究了三种石墨烯:本征石墨烯、B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯.结果表明,与本征石墨烯相比,B掺杂的石墨烯和N掺杂的石墨烯在吸附能、电荷密度、态密度和储钠量方面表现出很大的差异.B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能是-1.93 e V,约为本征石墨烯对Na原子吸附能的2.7倍;与本征石墨烯相比,N掺杂的石墨烯对Na原子的吸附能明显增大.态密度计算结果表明,Na原子与B掺杂的石墨烯中的B原子发生轨道杂化,而本征石墨烯和N掺杂的石墨烯中不存在轨道杂化现象.B掺杂的石墨烯对Na原子的吸附量是3个,与本征石墨烯相比显著提高.因此,B掺杂的石墨烯有望成为一种新型的储钠材料.     

硅烯饱和吸附碱金属原子的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了硅烯饱和吸附碱金属元素原子的稳定性、微观几何结构和电子性质, 并与纯硅烯及其饱和氢化结构进行了对比分析. 研究发现复合物SiX(X=Li, Na, K, Rb)的形成能都是负的, 相对于纯硅烯来说可以稳定存在. Bader电荷分析表明, 电荷从碱金属原子转移至硅原子. 从成键方式来看, 硅烯与氢原子形成共价键, 而与碱金属原子之间形成的键主要是离子性成键, 但还存在部分共价关联成分. 能带计算表明, 锂原子饱和吸附在硅烯形成的复合物SiLi是直接带隙的半导体, 带隙大小为0.34 eV. 其他碱金属饱和吸附在硅烯上形成的复合物都表现为金属性.     

Na在B掺杂的空位石墨烯上吸附性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯和B掺杂的空位石墨烯吸附Na原子的电荷密度、吸附能、态密度、储存量以及电极电压.结果表明,两种石墨烯中,Na原子的最佳吸附位置都是H位.B掺杂的空位石墨烯对Na原子的吸附能是-2.08 eV,比本征石墨烯对Na原子的吸附能(-0.71eV)低很多.B掺杂的空位石墨烯中Na原子与B原子发生轨道杂化,本征石墨烯中没有杂化现象.B掺杂的空位石墨烯能够吸附12个Na原子,较本征石墨烯多.因此,B掺杂的空位石墨烯更适合储钠.     

硼掺杂双层石墨烯吸附钠的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,对Na在本征双层石墨烯(PBLG)和不同掺杂浓度的B掺杂石墨烯(BBLG)表面的吸附性质进行了研究.确定了不同B掺杂浓度时BBLG的最稳定B分布结构,计算了Na在PBLG和不同掺杂浓度的BBLG表面的吸附能.计算结果表明,B原子掺杂倾向于占据上层中对位或次临近位置,并与下层中六边形碳环中心相对,B_4C_(32)的形成能最小;B掺杂浓度的增加使BBLG中上层石墨烯片层结构起伏增大,而对下层影响较小;Na在BBLG表面吸附高度和平均层间距受上层结构起伏影响显著;Na倾向于吸附在B_9C_(27)表面B原子的上方,使原始平面结构产生起伏,Na与B_9C_(27)表面的结合最稳定.     

Si_n团簇/石墨烯(n≤6)结构稳定性和储锂性能的第一性原理计算

目前,硅/碳复合材料是锂离子电池最有潜在应用前景的高容量负极材料之一,硅与碳材料的界面状态是影响其电化学性能的重要因素.本文在作为碳材料结构单元的石墨烯表面构建了 Si_n(n≤6)团簇,采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法研究了 Si_n团簇/石墨烯(Si_n/Gr)的几何构型、结构稳定性和电子性质.结果表明,当Si原子数n≤4时,Si_n团簇优先以平行于石墨烯的二维构型沉积在石墨烯表面,当n ≥ 5时,Si_n团簇优先以三维立体构型沉积在石墨烯表面.随着n的增大,Si_n团簇在石墨烯表面的热力学稳定性显著降低,两者之间的界面结合减弱,并且伴随着Si_n团簇与石墨烯之间的电荷转移也越来越少.同时还研究了Si_n/Gr复合构型的储锂能力,Li原子主要存储在Si_n团簇临近的石墨烯表面和Si_n团簇周围,Si_n团簇与石墨烯复合形成的协同作用增强了 Li原子吸附的热力学稳定性.当n≤4时,存储2个Li原子有利于提高xLiSi_n/Gr体系的热力学稳定性,继续增加Li原子数x会导致稳定性降低;当n≥5时,稳定性随着Li原子数x的增多而逐渐降低.     

第一性原理研究O2和H2O在ZnO (101 ̅0)表面上的吸附行为

运用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法研究了O2和H2O单分子在ZnO (101 ̅0)表面上的吸附行为。吸附位点主要考虑了表面的Zn顶位和Zn桥位，同时也考虑了其它可能的吸附行为。对于O2在ZnO (101 ̅0)表面上的吸附设计了9个模型，H2O在ZnO (101 ̅0)表面上的吸附设计了12个模型。通过形成能计算发现，O2在表面上的吸附为正值，H2O的吸附为负值。O2和H2O单分子在表面上发生分子吸附，未见解离形态。对于O2吸附最稳定的结构是O2分子与表面相邻的Zn原子形成了Znslab1-Oads1-Oads2-Znslab2桥连键。其它较为稳定的结构是Oads1原子迁移到下一个表面重复晶胞的O原子位置附近，在表面上形成了Znslab1-Oads1键，同时Oads2原子扩散至表面沟渠上方。对于H2O吸附，不论以何种方式吸附结构都比较稳定。其中最稳定的构型是Oads迁移到下一个表面重复晶胞的O原子位置附近，形成了Znslab1-Oads键以及Oslab3-H氢键。另外较稳定的构型是Oads迁移到ZnO (101 ̅0)表面台阶上方，形成了Znslab1-Oads键以及Oslab1-H氢键。     

二氧化硫在改性BC_3表面的吸附特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法观察修饰不同原子(Mo,Pt,Si)来调控BC_3体系的表面结构和反应活性.研究发现:单个原子吸附在BC_3表面具有不同的稳定位,Pt和Si原子吸附在H1位稳定,而Mo原子吸附在H2位稳定.单个原子在完整结构BC_3表面的扩散势垒较小,而掺杂的原子在单空位缺陷BC_3体系中具有极高的稳定性( 6.5 eV),这些掺杂原子显正电性能够有效地调制BC_3体系的电子结构、磁性以及影响二氧化硫(SO_2)的吸附强弱.与Pt原子掺杂的BC_3体系(Pt-BC_3)相比,单个SO_2分子在Si-和Mo-BC_3体系上的吸附能较大,表现出较高的灵敏特性.该研究为设计类石墨烯基功能纳米材料提供参考.     

氧原子在X@Al12 (X=C，Si，P+ )团簇吸附性质的研究

利用密度泛函理论了对X@Al12 (X=C, Si, P+)团簇吸附氧原子特性进行了研究,分别分析了氧原子在三个吸附位置(顶位置、桥位置和空位置)的氧原子吸附能,HOMO-LOMO能隙和电荷转移等性质。结果表明氧原子更倾向于吸附在空位位置。C@Al12和Si@Al12, P+@Al12 在对氧的吸附性质上比较接近。氧在X@Al12(X= C, Si, P+)的吸附性质与Al13−有显著不同。在Al13−O中O是倾向于以桥位形式吸附在Al13−上的。X@Al12(X=C, Si, P+)和Al13−的电子结构有着明显的差异,这导致了O在这些团簇表面不同的吸附形式,表明掺杂可以有效的改变团簇的性质。     

氧原子在X@Al12 (X=C，Si，P+ )团簇吸附性质的研究

利用密度泛函理论了对X@Al12 (X=C, Si, P+)团簇吸附氧原子特性进行了研究,分别分析了氧原子在三个吸附位置(顶位置、桥位置和空位置)的氧原子吸附能,HOMO-LOMO能隙和电荷转移等性质。结果表明氧原子更倾向于吸附在空位位置。C@Al12和Si@Al12, P+@Al12 在对氧的吸附性质上比较接近。氧在X@Al12(X= C, Si, P+)的吸附性质与Al13−有显著不同。在Al13−O中O是倾向于以桥位形式吸附在Al13−上的。X@Al12(X=C, Si, P+)和Al13−的电子结构有着明显的差异,这导致了O在这些团簇表面不同的吸附形式,表明掺杂可以有效的改变团簇的性质。     

三明治结构graphene-2Li-graphene的储氢性能

本文使用密度泛函理论中的广义梯度近似对扩展三明治结构graphene-2Li-graphene的几何结构、电子性质和储氢性能进行计算研究.计算得知:位于单层石墨烯中六元环面心位上方的单个Li原子与基底之间的结合能最大(1.19 eV),但小于固体Li的实验内聚能(1.63 eV),然而,在双层石墨烯之间的单个Li原子与基底的结合能增加到3.41 eV,远大于固体Li的实验内聚能,因此位于双层石墨烯之间的多个Li原子不会成簇,有利于进一步储氢.扩展三明治结构graphene-2Li-graphene中每个Li原子最多可以吸附3个H_2分子,储氢密度高达10.20 wt.%,超过美国能源部制定的5.5 wt.%的目标.该体系对1—3个H_2分子的平均吸附能分别为0.37,0.17和0.12 eV,介于物理吸附和化学吸附(0.1—0.8 eV)之间,因此该体系可以实现常温常压下对H_2的可逆吸附.通过对态密度分析可知,每个Li原子主要通过电场极化作用吸附多个H_2分子.动力学和巨配分函数计算表明graphene-2Li-graphene结构对H_2分子具有良好的可逆吸附性能.该研究可以为开发良好的储氢材料提供一个好的研究思路,为实验工作提供理论依据.