气体分子在Co-BN表面吸附的第一性原理研究

采用包含色散力校正的密度泛函理论(DFT-D)方法系统地研究了气体分子(O_2,H_2,NO,CO,CO_2,SO_2,H_2S,H_2O)在Co掺杂单层BN(Co-BN)表面的吸附,分析了吸附小分子的几何结构,吸附能,电荷转移等情况.结果表明:1)CO等气体分子主要吸附在Co及其近邻六元环的顶位,吸附结构的电荷转移表明掺杂原子Co对BN衬底的气敏特性有较好的调制作用;2)在Co-BN表面吸附的O_2和CO较易被活化,表明Co-BN可能是一种对CO氧化有较好催化活性的新型催化材料.     

基于密度泛函理论研究掺杂Pd石墨烯吸附O2及CO

基于第一性原理的密度泛函理论研究了单个O₂和CO气体分子吸附于本征石墨烯和掺杂钯(Pd)的石墨烯的体系, 通过石墨烯掺Pd前后气体分子的吸附能、电荷转移及能带和态密度的计算, 发现掺Pd后气体分子吸附能和电荷转移显著增大, 这是由于Pd的掺杂, 在本征石墨烯能带中引入了杂质能级, 增强了石墨烯和吸附气体分子间的相互作用; 氧化性气体O₂和还原性气体CO吸附对石墨烯体系能带结构和态密度的影响明显不同, 本征石墨烯吸附O₂后, 费米能级附近态密度变大, 掺Pd后在一定程度变小; 吸附还原性的CO后, 石墨烯费米能级附近态密度几乎没有改变, 表明掺杂Pd不会影响石墨烯对CO的气体灵敏度, 但由于CO对石墨烯的吸附能增大, 可以提高石墨烯对还原性气体的气敏响应速度.     

气体分子在类石墨烯材料负载单个金属原子表面的吸附特性

采用密度泛函理论方法研究了不同种类和数量的气体小分子在类石墨烯材料(graphenylene)衬底支撑的金属原子(M=Co, Mo和Pd, gra-M)表面的吸附特性,系统地分析了吸附不同数量的NO和CO分子的稳定构型,吸附能,电荷转移量以及引起的体系电子结构和磁性变化.研究结果表明:1) NO、CO气体小分子的稳定吸附位在金属原子顶位,吸附物与衬底间的电荷转移量表明负载不同的金属原子能够有效地调制类石墨烯材料的气敏特性;2)单个和两个气体分子吸附能够引起gra-M体系的自旋电荷密度分布发生变化,进而使得气体吸附体系表现出不同磁矩大小.     

金属原子修饰石墨烯体系催化性能的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单个CO 和O2气体分子在金属原子修饰石墨烯表面的吸附和反应过程. 结果表明: 空位缺陷结构的石墨烯能够提高金属原子的稳定性, 金属原子掺杂的石墨烯体系能够调控气体分子的吸附特性. 通入混合的CO和O2作为反应气体, 石墨烯表面容易被吸附性更强的O2分子占据, 进而防止催化剂的CO 中毒. 此外, 对比分析两种催化机理(Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal)对CO氧化反应的影响. 与其它金属原子相比, Al原子掺杂的石墨烯体系具有极低的反应势垒(< 0.4 eV), 更有助于CO氧化反应的迅速进行.     

金属原子修饰石墨烯体系催化性能的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了单个CO和O2气体分子在金属原子修饰石墨烯表面的吸附和反应过程.结果表明:空位缺陷结构的石墨烯能够提高金属原子的稳定性,金属原子掺杂的石墨烯体系能够调控气体分子的吸附特性.通入混合的CO和O2作为反应气体,石墨烯表面容易被吸附性更强的O2分子占据,进而防止催化剂的CO中毒.此外,对比分析两种催化机理(Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal)对CO氧化反应的影响.与其它金属原子相比,Al原子掺杂的石墨烯体系具有极低的反应势垒(0.4 e V),更有助于CO氧化反应的迅速进行.     

金属和非金属原子间协同效应调控气体小分子的吸附特性研究

采用基于密度泛函理论方法系统地研究了单个NO和CO小分子在非金属(B和N)与金属Ni原子共掺杂石墨烯(Bx-Ny-gra-Ni,x+y=0,1,2,3)表面的吸附特性,分析了吸附气体小分子的几何结构,吸附能,电荷转移量以及引起体系磁性变化等情况.研究结果表明：NO和CO倾向于吸附在Ni原子的顶位,B和N掺杂原子的数量和比例能够有效地调制小分子的吸附强度;与吸附的CO分子相比,Bx-Ny-gra-Ni表面吸附的NO分子能获得较多的电荷,进而表现出高的稳定性.此外,利用吸附的气体小分子与衬底间相互作用强度和灵敏性的差异、以及引起反应衬底的磁性变化将为设计石墨烯基气敏、催化和电子器件提供重要参考.     

TiC-和TiN-(001)表面吸附性能的密度泛函理论研究

基于密度泛函理论系统研究了碳化钛(TiC)和氮化钛(TiN)非极性(001)表面吸附气体分子和原子的性能。鉴于这些材料拥有不同的电子结构特征,发现受电子的CO分子或未饱和的O和H原子在TiC(001)和TiN(001)表面吸附于不同的活性位点,而供电子的NH3和H2O气体分子或完全饱和的O2和H2分子仅倾向与两个表面的金属原子位点结合。这些吸附特性可能与此类材料表面的电子结构有关。     

MgO、SnO_2、TiO_2表面氧空位性质对气体光学传感特性的影响

光学气敏传感器是当今研究领域的一个热门方向.文章采用密度泛函理论(DFT)体系下广义梯度近似(GGA)第一性原理平面波超软赝势方法,分析和计算了光学气敏材料岩盐型MgO、金红石型SnO_2和锐钛矿型TiO_2表面氧空位的特性.以CO作为吸附分子进行微观机理研究,研究不同氧化物表面吸附气体分子的机理.对氧化物表面的几何结构、吸附能、态密度、差分电荷密度、电荷布居、电荷转移、光学性质等进行分析.研究发现:含有氧空位缺陷的MgO(001)、SnO_2(110)和TiO_2(101)能稳定的吸附CO分子,吸附后造成了材料光学性质的变化,可作为光学气敏传感材料.分析发现:氧空位氧化能力的大小是光学性质改变的核心原因.表面吸附CO分子后,发现SnO_2(110)表面对分子的吸附能最大,分子与表面的吸附距离最短.通过差分电荷密度和电荷布居数发现,表面与CO分子间存在电荷转移,其转移电子数目大小为:SnO_2(110)TiO_2(101)MgO(001),由此得出不同氧化物表面氧化性的大小为:SnO_2(110)TiO_2(101)MgO(001);通过对比吸收谱和反射谱发现:吸附气体分子后SnO_2(110)表面的光学性质变化最为明显,是一种较好的光学气敏传感材料.     

H2O在SrTiO3-(001)TiO2表面上吸附和解离的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论研究了0.25单层(ML),0.5ML,0.75ML和1ML吸附率下H2O在SrTiO3-(001)TiO2表面上的吸附行为.比较了不同吸附率下分子吸附和解离吸附的稳定性,利用微动弹性带(nudged elastic band)方法计算了H2O的解离势垒.结果表明:在低吸附率(0.25ML和0.5ML)时,H2O表现为解离吸附;在0.75ML吸附率下,分子吸附和解离吸附同时存在;而在全吸附(吸附率为1ML)时,分子吸附更稳定.基于对H2O分子与表面之间以及H2O分子之间的电荷转移和相互作用的分析,讨论了吸附率对H2O吸附和解离的影响.     

五角石墨烯吸附H2S的第一性原理计算

硫化氢作为一种神经毒物和腐蚀性气体污染物,严重威胁人体健康并限制工业的发展.本文采用第一性原理计算的方法,研究了H₂S气体分子在原始五角石墨烯、非金属掺杂及金属掺杂五角石墨烯上的吸附行为.详细计算了H₂S气体分子与五角石墨烯之间的吸附构型、吸附能及电荷转移.结果表明:1)原始五角石墨烯和非金属元素掺杂五角石墨烯与H₂S气体分子间仅为微弱的物理吸附,无法直接用于吸附H₂S气体;2) Co、Ni、Cu及Ti掺杂的五角石墨烯对H₂S气体的吸附作用显著增强.当金属掺杂在sp~2C位置时,掺杂五角石墨烯对H₂S气体的吸附效果较好,此时的吸附均为化学吸附;3) Co、Ni、Cu及Ti掺杂的五角石墨烯均可作为H₂S气体的传感/捕获材料.其中Cu掺杂五角石墨烯吸附H₂S气体的效果最好.本文的研究结果对设计开发基于五角石墨烯的H₂S气体传感/捕获材料提供了理论指导.     

过渡金属Pd掺杂AsP结构及其吸附甲醛和一氧化碳的性能研究

基于第一性原理方法,研究了单层本征磷砷AsP和过渡金属钯（Pd）掺杂磷砷AsP的结构,并对比研究了本征和掺杂后的AsP吸附甲醛（HCHO）和一氧化碳（CO）气体分子的稳定性、能带结构、态密度以及电荷差分密度。研究结果表明：经Pd掺杂后AsP由半导体转变为导体;本征AsP吸附一氧化碳最稳定的位置为P-As键顶上,吸附甲醛最稳定的位置为P原子顶上;本征吸附时气体分子与基底之间的距离在3 Å左右,气体分子与基底之间未形成化学键。过渡金属Pd原子掺杂AsP后形成两种结构,分别为Pd原子替换超胞结构中的As原子或P原子。两种掺杂结构分别吸附一氧化碳或甲醛气体分子时,除了Pd原子替换AsP中的As原子形成的结构吸附甲醛的吸附能未明显增加外,其余掺杂结构吸附一氧化碳或甲醛的吸附能和电荷转移较本征吸附时均显著增强,吸附CO分子时,C原子与Pd原子之间形成了化学键。特别是,Pd原子替换AsP中的P原子形成的结构对一氧化碳和甲醛气体分子的吸附性能明显强于Pd原子替换AsP中的As原子所形成的结构。     

非金属与金属原子共掺杂石墨烯体系的气敏特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了非金属N原子和金属原子(M=Mo,Al,Co,Fe,Au和Pt)共掺杂石墨烯体系(M-GN4)的电子结构和表面活性.研究发现:单个金属原子掺杂的GN4体系表现出不同的稳定性,相比掺杂的Au原子,其它的金属原子都具有很高的稳定性( 6. 0 e V).掺杂的金属原子失去电荷显正电性将有助于调控气体分子的吸附特性. Mo-GN4和Al-GN4衬底对吸附的O_2表现出较高的灵敏性,单个CO和O_2分子在Co-GN4和Fe-GN4衬底的吸附能差别较小.此外,吸附不同的气体分子能够有效地调控M-GN4体系的电子结构和磁性变化.     

基于第一性原理计算H_2S、CO_2、CH_4在Fe-MoS_2上的吸附性能

在高含硫气藏开发中,伴随着CH_4的采出,H_2S和CO_2也不可避免的被采出.这两种气体会产生管道腐蚀和气体中毒等诸多不利影响.为了解决这一现实需要,从研究较为广泛的MoS_2材料入手,考虑了其掺杂结构中的吸附性能的变化,相关计算原理基于密度泛函数理论.主要计算了一种吸附式掺杂过渡金属原子Fe在MoS_2上的结构,同时也计算了H_2S,CO_2,CH_4气体在其表面的吸附能,电荷转移,电子密度差等相关参数.结果表明,CH_4对这种材料表现出不敏感的特性,而CO_2、H_2S均表现出吸附的性质,预测这种材料可能作为一种可使用的吸附材料,或是开发作为一种新型的气体预警材料.     

V掺杂二维MoS_2体系气体吸附性能的第一性原理研究

以芥子气和沙林为代表的毒剂具有毒性强、扩散快的特点,是一类杀伤力强、难以防护的化学战剂,对其快速高效检测是一项具有挑战性的课题.本文基于第一性原理计算方法研究了V掺杂对二维MoS_2气敏性能影响的机理,发现V原子向二维MoS_2的掺杂过程为自发的放热反应, V原子可以稳定掺杂于二维MoS_2超胞结构中的S空位上.掺杂进入二维MoS_2体系的V原子作为施主中心向周围Mo原子给出电子,从而提高了材料的导电能力.吸附能、吸附距离和吸附过程中的电子转移计算结果表明V的掺杂提高了二维MoS_2对气体分子的吸附能力,增强了吸附质分子与基底表面的电子相互作用,从而提高了二维MoS_2的气敏性能.     

Spin polarization and charge transfer of Co nanoclusters coated with CO molecules

We have investigated magnetic properties of Co clusters coated with CO molecules by first-principles density functional calculations. Total magnetic moment of the system decreases with the increase of CO molecule concentration regardless of adsorption sites for CO molecules. Spin polarization slightly increases as CO molecules are adsorbed on the most stable sites of Co cluster, which is caused by the increased local spin polarization of p-electrons due to charge transfer from Co clusters to CO molecules.     

理论研究过渡金属原子修饰石墨炔材料的功能性

采用基于密度泛函理论中第一性原理方法分别对石墨炔负载过渡金属原子(M-gra)体系的稳定构型以及对多种气体小分子的灵敏度和选择性进行理论研究.计算结果表明金属原子吸附在孔洞结构的H2位具有高稳定性,不同种类的金属原子能够有效调控石墨炔体系的电子特性和具有不同的磁矩.比较气体分子的吸附能大小,M-gra衬底对O和OH表现出高的灵敏度,单个NO、NO₂和O₂的稳定性高于CO分子.此外,小分子吸附的M-gra体系具有金属、半金属和半导体特性,在电子和气敏器件领域具有潜在应用.     

第一性原理研究气体小分子吸附的石墨烯负载金属原子体系

石墨烯负载的单个金属原子体系(M-gra)具有高的结构稳定性,显正电性的金属原子可作为活性位用在气敏器件和催化材料.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究单个有毒气体小分子(NO和CO)在M-gra表面的吸附特性.研究结果表明:单个NO分子吸附的稳定性高于CO分子,由于其能够从反应衬底获得更多的转移电荷,因此,M-gra衬底对NO分子表现出高的灵敏度.此外,不同小分子吸附能够改变M-gra体系的电荷密度和自旋电荷分布,进而使得气体分子吸附体系表现出不同大小的磁矩.通过对比气体分子吸附前后M-gra体系的磁矩变化,能够有效判断吸附分子和反应衬底的类型.     

提高单层GeSe对H2O气体传感性能的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法,通过在单层GeSe上施加双轴向应变、外加电场、掺Ag等途径来探索提高单层GeSe对H₂O分子传感性能的有效方法,并从微观角度阐明内在机理.计算结果表明,-1.0 V/?的外加电场能有效降低H₂O分子在单层GeSe的吸附能并使二者之间的电荷转移量增加11倍,显著提高了单层GeSe对H₂O分子的响应速度和敏感性.研究结果为进一步设计并制成二维GeSe基湿度传感器提供了理论依据.