异性官能团修饰石墨烯吸附GIS特征气体能力的DFT研究

为研制高灵敏度气体绝缘组合开关(GIS)特征气体检测传感器，利用密度泛函理论方法，采用分子模拟软件对GIS特征气体(SO_2,SOF_2,SO_2F_2,CF_4)在异性官能团(羟基、羧基与氨基)修饰石墨烯表面的吸附过程进行模拟计算，从微观角度研究了GIS特征气体在异性官能团修饰石墨烯表面的吸附机理.首先计算了各吸附体系的吸附能、净电荷转移量以及态密度，比较了羟基与羧基修饰石墨烯对GIS特征气体的吸附能力;再通过分子前线轨道与能隙对吸附能力强弱的机理进行了研究，得出强吸附修饰官能团的规律性特征，并通过氨基石墨烯进行验证.结果表明:羧基与羟基修饰石墨烯能够有效提高对SO_2,SOF_2,SO_2F_2的吸附能力，但羧基石墨烯对GIS特征气体的整体吸附能力更强;异性官能团修饰石墨烯后的能隙及其与气体分子前线轨道能量差越小，对GIS特征气体吸附能力就越强，异性官能团修饰石墨烯的能隙与前线轨道能量差可以作为选择特征气体敏感材料的依据.     

改性石墨烯SO_2气敏性质的第一性原理研究

为了寻求高灵敏度的石墨烯基的SO_2气体传感器,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究纯净石墨烯(PG)、单空位缺陷(SVG)、SW缺陷(SWG)、Mn掺杂修饰的石墨烯(Mn-PG)及掺杂和缺陷共修饰的石墨烯(Mn-SVG和Mn-SWG)对SO_2分子的吸附特性.研究表明:PG和SWG对SO_2分子的吸附作用较弱,对SO_2分子不具有敏感性;SO_2分子在SVG表面的吸附能够有效调控其电子结构的变化,使其由金属性转变为半金属性,但其吸附能较低(0.636 eV);结合了Mn掺杂和SV缺陷的Mn-SVG基底尽管增大了与SO_2分子相互作用,但未能引起该体系电子结构和磁性的明显改变;相比之下,SO_2分子在Mn-PG和Mn-SWG基底上具有较强的吸附稳定性;同时,该分子吸附可诱发Mn-PG和Mn-SWG体系磁矩的急剧降低和电导率的显著变化,故可作为探测和清除环境中SO_2分子理想材料.该研究为设计新型石墨烯气体传感器提供理论参考.     

聚酰亚胺/功能化石墨烯复合材料力学性能及玻璃化转变温度的分子动力学模拟

应用分子模拟方法,建立了聚酰亚胺(polyimide,PI),石墨烯及羧基、氨基、羟基功能化石墨烯模型,探究了聚酰亚胺和石墨烯,聚酰亚胺和功能化石墨烯共混后复合材料的力学性能和玻璃化转变温度(T_g).研究结果表明,羧基修饰的石墨烯与PI复合后材料力学性能增加显著,其杨氏模量和剪切模量分别为4.946 GPa和1.816 GPa.不同官能团修饰的石墨烯引入PI后材料的T_g均有不同程度下降;未修饰的石墨烯与PI复合后,其T_g(559.30 K)较纯PI的T_g(663.57 K)降幅最大;而羧基修饰的石墨烯与PI复合后T_g(601.61 K)降幅最小.计算比较了PI/石墨烯复合材料体系密度、溶解度参数、相互作用能、弹性系数和氢键平均密度,研究发现羧基修饰石墨烯/PI复合材料的密度为1.396 g·cm~(-3),溶解度参数为23.51 J~(1/2)·cm~(-3/2),其相互作用能与氢键平均密度最大,弹性系数显示羧基修饰石墨烯与PI组成的复合材料内部最均匀.计算结果表明,羧基功能化石墨烯可以大幅度提高PI的力学性能,增强石墨烯与PI之间的相互作用可以减少复合材料T_g的降幅程度.此基体间相互作用的研究方法可以作为预测聚合物基纳米复合材料结构与性能的有效工具,以期为材料的设计与应用提供理论指导.     

羟基碳纳米管吸附SF6放电分解组分的DFT计算

本文根据密度泛函理论(density functional theory , DFT), 采用MS分子动力学仿真软件对羟基修饰的单壁碳纳米管(SWNT-OH) 吸附SF₆局部放电分解的四种主要组分SOF₂, SO₂F₂, SO₂和CF₄进行了详细的理论计算, 通过分析气体分子和SWNT-OH的前线轨道, 吸附过程中吸附能、电荷转移量和电子态密度的情况, 以及吸附前后SWNT-OH能隙的变化, 评判了SWNT-OH对气体分子的敏感性和选择性, 给出了SWNT-OH是否可以制备气体传感器检测SF₆局部放电分解组分的理论依据.     

小分子吸附调控Ti掺杂石墨烯电子结构和磁性的密度泛函理论研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了气体分子CO、NO、NO_2和SO_2吸附对Ti掺杂石墨烯(Ti G)电子结构和磁性的调制.研究表明:Ti G对CO、NO、NO_2和SO_2分子的吸附作用较强,各分子与Ti原子键合并形成Ti-X键(X代表C、O、N原子);各分子的吸附可导致Gas@Ti G体系电磁性质明显改变:CO分子吸附基底后,虽未能引起CO@Ti G体系电子性质改变和磁性的产生,却能够有效调控该体系的带隙宽度;不同于CO分子,NO、NO_2和SO_2分子的吸附使得半导体性的Ti G基底转变为金属特性,但各体系磁性表征不同:NO@Ti G发生完全自旋极化,即NO分子与基底上均有自旋分布,且二者的自旋方向相同;顺磁性的NO_2分子吸附于Ti G基底时磁性消失;SO_2分子吸附于Ti G基底后自身产生磁性,但基底几乎未发生自旋极化,SO_2@Ti G呈现自旋极化的局域分布特征.由此,依据分子吸附后体系电磁性质特征的不同,可辨识被测气体分子.此项研究结果为高灵敏度和高选择性的石墨烯基气体传感器的设计提供理论参考.     

基于第一性原理的二维材料黑磷砷气体传感器的机理研究

通过密度泛函理论计算,研究了气体小分子吸附在单层黑磷砷表面的电学和磁学特性.选择4个初始吸附点位来探索CO,CO_2,NH_3,SO_2,NO和NO_2气体分子最优的吸附位置,计算了吸附能、吸附距离和电荷转移等电子结构参数,确定了吸附类型和敏感气体.结果表明,单层黑磷砷以强的物理吸附对NO_2和SO_2气体敏感,而通过化学吸附对NO气体敏感并且N原子和P原子间还形成新的化学键.从能带结构角度,CO,CO_2和NH_3这三种气体吸附对黑磷砷的能带结构影响很小,SO_2气体吸附增大带隙宽度.磁性气体NO和NO_2的吸附则在费米能级附近引入杂质能带,这主要来源于N原子和O原子的p轨道,并且减小了带隙宽度.NO和NO_2气体还分别诱导了 0.83μ_B和0.78μ_B的磁矩,使得整个体系带有磁性.理论研究表明,单层黑磷砷是检测NO,NO_2和SO_2气体的良好气敏材料.     

气体吸附对V掺杂石墨烯电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)，采用第一性原理方法研究了气体分子吸附对V掺杂石墨烯的吸附能、电子结构与光学性质的影响．能带结构计算表明:吸附NO₂分子的V掺杂石墨烯的带隙显著增加，从0 e V变为0.368 e V，由金属性转变为半导体特性，而吸附CO与NH₃分子的V掺杂石墨烯的带隙则变化很小．三种吸附构型(NO₂,CO,NH₃)的吸附能分别为-8.499 e V、-2.05 e V和-2.01e V，说明V掺杂石墨烯对NO₂气体分子吸附最强．进而计算了本征、V掺杂石墨烯及其吸附NO₂分子的光学性质，结果表明:随着V掺杂与吸附NO₂气体，石墨烯介电吸收峰值有所增大，介电峰位向低能量区域移动;本征石墨烯仅吸收紫外光，V掺杂石墨烯吸附NO₂分子可以明显拓宽光吸收的光谱范围;掺杂与吸附使得石墨烯光电导率显著增强，能在红外与可见光区产生光电流．上述结果表明V掺杂石墨烯吸附NO₂后...     

二维硼碳基纳米结构上的吸附及其性质

综述金属原子与非金属原子和分子在石墨烯、BC₃平面等二维硼碳基纳米结构上的吸附所表现出的各种物理性质及可能的应用.纯净的石墨烯为零带隙的半金属、无磁且自旋轨道耦合效应非常弱,BC₃平面为间接带隙半导体,但金属原子与非金属原子和分子的吸附可能使石墨烯体系在Dirac点处打开带隙、具有强自旋轨道耦合效应,可能使石墨烯体系与二维BC₃体系具有磁有序、超导电性及应用在氢存储上.另外石墨烯表现出非常好的分子探测性能.     

功能化石墨烯对亚甲基蓝染料吸附的密度泛函理论研究

由于染料在食品，印刷，纺织等行业的广泛应用，水中的染料被广泛发现，染料污染是造成水污染的重要原因之一，因此，对于水中染料进行前处理变得尤为重要.石墨烯和功能化石墨烯的吸附性能可以被应用于水中染料的检测和去除.本研究采用密度泛函理论方法详细探讨了纯石墨烯和功能化石墨烯对亚甲基蓝有机染料污染物的吸附机理.研究结果表明，纯的石墨烯和功能化石墨烯表面对亚甲基蓝染料均有一定程度的吸附，其中环氧原子，羧基和羟基功能化的石墨烯对亚甲基蓝的吸附能力较纯石墨烯吸附能力强，其次是环氧，羧基和羟基三者共同功能化的石墨烯吸附能力最强.研究结果有望为石墨烯材料在有机染料的吸附应用方面提供有意义的理论指导.     

光谱法研究酵母菌对铜离子的吸附机理

采用AAS,FTIR,SEM/EDS等方法研究了啤酒酵母对铜离子的吸附作用。 酵母菌经丙酮和NaOH处理后对Cu2+的吸附量明显增加,而将羧基酯化和将氨基甲基化使得酵母菌对Cu2+的吸附能力显著降低。化学修饰与酵母菌对Cu2+吸附的吸附结果表明,细胞壁上的羧基、氨基在酵母菌吸附铜时起着重要的作用。 红外光谱表明,酵母菌表面有结合金属的官能团,如羟基、羧基、氨基等,吸附Cu2+后,3 392 cm-1处的吸收峰紫移至3 404,1 405 cm-1处的峰红移到1 383 cm-1,细胞的主要成分和结构保持完整。 SEM/EDS分析表明,吸附后酵母菌表面变化不大,酵母菌仅结合少量Cu2+。     

Influence of Mechanical Stretching on Adsorption Properties of Nitrogen-Doped Graphene

This paper presents the results of quantum chemical modeling of chemisorption of atomic hydrogen and epoxy, carboxyl, and hydroxyl functional groups on nitrogen-doped graphene. It is shown that the substitutional nitrogen atom does not bind to adsorbing groups directly, but significantly increases the adsorption activity of neighboring carbon atoms. Mechanical stretching of doped graphene reduces the adsorption energy of all the aforementioned radicals. This reduction is significantly greater for the epoxy group than for the other functional groups. The results obtained confirm that, upon a sufficient stretching of a nitrogen-doped graphene sheet, the dissociation of molecular hydrogen and oxygen with subsequent precipitation of the resulting radicals onto graphene can be energetically favorable.

     

Effects of Stone–Wales defect upon adsorption of formaldehyde on graphene sheet with or without Al dopant: A first principle study

The adsorption mechanisms of formaldehyde (H₂CO) on modified graphene, including aluminum doping, Stone–Wales (SW) defects, and a combination of these two, were investigated via density functional theory (DFT). It was found that the graphene with SW defect is more sensitive than that of perfect graphene for detecting H₂CO molecules. Compared with Al-doped graphene/H₂CO complex, the binding energy for Al-doped SW defect complex can be enhanced by the introduction of a SW defect. The large values of binding energy and net charge transfer for this complex indicate a strong chemisorption and a larger affinity with H₂CO for the modified graphene. Furthermore, the density of states (DOS) of the complex shows that the effect of defect–dopant combination on adsorption mechanisms is due to the orbital hybridization between the Al atom and its adjacent C atoms. In addition, it can be expected that adsorption of H₂CO on the surface of Al-doped SW defect may occur easily, and the Al-doped SW graphene is more suitable for H₂CO gas detection.     

石墨烯基PtCu二元金属催化剂对甲醇吸附性能的理论研究

直接甲醇燃料电池作为最有潜力的能源越来越受到人们的关注。本文主要采用密度泛函理论（DFT),对石墨烯基PtCu催化剂吸附甲醇的结构进行了理论研究。通过分析甲醇吸附前后前线分子轨道、电荷和吸附能的变化,发现PtCu二元金属催化剂与甲醇相互作用中,甲醇容易吸附于Pt位点上。对于PtCu二元金属的Cu位点的吸附能力与纯Cu相比变化不大,但是PtCu二元金属的Pt位点相对于纯Pt催化剂对甲醇的吸附能力却有明显的提高。因此Cu的掺杂对于提高Pt位点的活性起到促进作用     

Geometric stability and adsorption property of hydroxyl group on graphene sheets

The stable geometrics and adsorption behaviors of hydroxyl (OH) groups on graphene sheets are investigated using the first-principles calculations. The single hydroxyl adatom has small adsorption energy and diffusion barrier on pristine graphene. The binding strength of the hydroxyl group increases with the coverage, and the aggregations of the hydroxyl groups reduce the structural bucking of graphene sheet. On the graphene with single vacancy (SV-graphene), the large trapping zones mean the adsorbed OH would be easily trapped at the vacancy site. The hydroxyl groups prefer to aggregate on graphene surfaces and form the water molecule, leaving the epoxy group on pristine graphene or oxygen dopant in SV-graphene, which is used to constitute the structural model of oxidized graphene. These results would provide us a useful reference to understand the atomic structure and adsorption property of functional groups on graphene sheets.     

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.     

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。