电场作用下S修饰C24N24从CO2/N2混合气体中选择性吸附CO2的第一性原理计算

在燃烧后气体中选择性捕获CO₂,对减缓因CO₂浓度过高引发的环境问题具有十分重要的意义.本文采用第一性原理计算的方法,研究了外加电场作用下S修饰C₂₄N₂₄富勒烯(S@C₂₄N₂₄)对CO₂的选择性吸附性能.首先研究了S@C₂₄N₂₄的结构和性质,发现其具有良好的稳定性.其次,研究了无电场时S@C₂₄N₂₄对CO₂的吸附行为,发现其吸附为弱的物理吸附.另外,进一步研究了外加电场作用下S@C₂₄N₂₄对CO₂的吸附行为.结果表明,结合距离(CO₂与S)和CO₂的键角(O=C=O)随电场的增大而减小;当电场增加到0.018 a.u.时,物理吸附转变为化学吸附.关闭电场时,化学吸附又转化为物理吸附.此外,即使在相同的电场条件...     

电荷调控下Ti3C2O2和V2CO2吸附CH4的第一性原理计算

本文采用第一性原理计算首先研究了Ti3C2O2和V2CO2与CH4气体分子之间的相互作用,发现Ti3C2O2和V2CO2对CH4的吸附较弱属于物理吸附,不适宜用作探测CH4。在此基础上研究了电荷调控下CH4气体分子与Ti3C2O2和V2CO2之间的相互作用。结果表明：随着体系电荷态的增加,Ti3C2O2和V2CO2对CH4气体分子的吸附作用逐渐增加变为化学吸附。当体系电荷态大于或等于-2时,CH4气体分子在Ti3C2O2和V2CO2表面可以被有效捕获。撤去电荷后,Ti3C2O2、V2CO2与CH4气体分子之间的吸附恢复至物理吸附,CH4气体分子易脱附。因此,通过调控Ti3C2O2和V2CO2的电荷态,可以简单地实现CH4的捕获与释放。Ti3C2O2和V2CO2有望成为CH4探测或捕获材料。     

电场作用下P掺杂硅烯选择性吸附CH_4的第一性原理计算

在煤层气中选择性吸附和捕捉甲烷分子,对提高煤矿安全具有十分重要的意义.本文采用第一性原理计算的方法,研究了外加电场作用下P掺杂硅烯对甲烷分子的选择性吸附性能.结果表明:正电场作用下,P掺杂硅烯与甲烷分子之间产生较强的化学吸附,能够快速捕获甲烷分子.当关闭外加电场时,P掺杂硅烯与甲烷分子之间则为微弱的物理吸附,甲烷分子很容易实现脱附.同时还发现,外加电场作用下,P掺杂硅烯与氮气、氧气及水之间的吸附均属于物理吸附,表明P掺杂硅烯可以在这些混合气体中实现甲烷气体的选择性吸附. P掺杂硅烯有望成为选择性好的甲烷传感、捕获新材料.     

二维Ti_2CO_2单层吸附H_2S分子的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法研究了H_2S分子在二维单层Ti_2CO_2表面上的吸附以及外加应变和电场对其性质的调制,发现该吸附为物理吸附,其吸附强度几乎不受外加拉伸应变的影响,而外加电场使H_2S分子的吸附增强.同时,通过单层Ti_2CO_2表面不同结构(如水分子修饰、官能团掺杂、氧官能团空位)对H_2S分子吸附性质影响的研究表明:(1)表面吸附的水分子促进H_2S分子的吸附,其吸附强度随H_2O分子数增多而增强;(2)官能团OH掺杂浓度低于0.22 ML时,促进H_2S分子的吸附,而较高浓度OH掺杂使H_2S分子吸附减弱;官能团F掺杂对H_2S分子吸附强度几乎没有影响;(3)含氧空位的Ti_2CO_2表面与H_2S分子相互作用较强,吸附能高达-1.06 eV,且电子结构改变明显.     

密度泛函理论研究Rhn(n=2-5)团簇与部分小分子体系的相互作用

采用密度泛函理论系统计算研究了Rhn（n=2-5）团簇吸附小分子（H2、O2、N2、NO、CO、NO2、CO2）体系的基态几何结构和电子结构特性。结果表明：N2、NO、CO和CO2在Rhn表面以物理吸附的形式存在,H2和NO2在Rhn表面发生化学吸附,O2在Rhn表面的吸附与Rh团簇所含原子数目的奇偶性密切相关：O2在含奇数原子铑团簇表面发生化学吸附、在含偶数原子铑团簇表面发生物理吸附;对于各小分子在Rhn表面的物理吸附而言,吸附能强弱顺序为NO>(CO≈NO2≈O2)>(CO2≈N2)>H2。     

Li修饰的C24团簇的储氢性能

利用密度泛函理论研究了Li原子修饰的C₂₄团簇的储氢性能. Li原子在C₂₄团簇表面的最佳结合位是五元环. Li原子与C₂₄团簇之间的作用强于Li原子之间的相互作用, 能阻止它们在团簇表面发生聚集. 当Li原子结合到C₂₄表面时, 它们向C原子转移电子后带正电荷. 当氢分子接近这些Li原子时, 在电场作用下发生极化, 通过静电相互作用吸附在Li原子周围. 在Li修饰的C₂₄复合物中, 每个Li原子能吸附两到三个氢分子, 平均吸附能处于0.08到0.13 eV/H₂范围内. C₂₄Li₆能吸附12个氢分子, 储氢密度达到6.8 wt%.     

电场中LiF分子吸附H_2的理论研究

采用密度泛函理论方法研究了电场中H_2在LiF分子上的吸附行为.结果表明,无电场时,H_2能在Li与F原子上形成弱的物理吸附.外加电场可显著提高其吸附强度, H_2在Li/F上的吸附能由无电场时的-0.112/-0.122eV提高到场强为0.005 a. u.时的-0.122/-0.171 eV, H_2吸附在F上时更稳定.利用分子中的原子量子理论(QTAIM)方法研究了电场增强吸附的机理,表明电场促进了H_2与LiF间的电荷转移,同时使LiF及H_2极化,增强了其间的静电作用,从而提高了吸附强度.电场中LiF最多能吸附10个H_2,相应的质量密度达43.5 wt%.表明电场诱导LiF材料吸附H_2是一种具有潜力的储氢方法.     

电场中LiF分子吸附H_2的理论研究

采用密度泛函理论方法研究了电场中H_2在LiF分子上的吸附行为.结果表明，无电场时，H_2能在Li与F原子上形成弱的物理吸附.外加电场可显著提高其吸附强度，H_2在Li/F上的吸附能由无电场时的-0.112/-0.122 eV提高到场强为0.005 a.u.时的-0.122/-0.171 eV,H_2吸附在F上时更稳定.利用分子中的原子量子理论(QTAIM)方法研究了电场增强吸附的机理，表明电场促进了H_2与LiF间的电荷转移，同时使LiF及H_2极化，增强了其间的静电作用，从而提高了吸附强度.电场中LiF最多能吸附10个H_2，相应的质量密度达43.5 wt%.表明电场诱导LiF材料吸附H_2是一种具有潜力的储氢方法 .     

电场作用下C60富勒烯二聚体分子的几何构型与失效

采用分子力学与量子力学相结合的方法,模拟了电场作用下C60富勒烯二聚体(2C60)分子的几何构型与失效行为,讨论了三种不同方向外加电场对2C60分子几何变形、构型失效、电荷分布与极化偶极矩的影响,并与电场作用下C60富勒烯分子的几何变形与失效行为进行了对比.研究结果表明,2C60分子的几何变形与失效行为与外加电场的方向密切相关.当外加电场与2C60分子的桥接C-C键平行时,2C60分子很容易发生失效,且失效形式也十分独特.     

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.     

V2CO2MXene从CO2/N2混合气体中选择性吸附CO2的第一性原理计算

二氧化碳作为温室气体中最重要的组成部分,其含量的变化将直接影响全球气候变化,在燃烧后气体中选择性捕获CO₂,对减缓因CO₂浓度过高引发的环境问题具有十分重要的意义.本文采用第一性原理计算的方法,研究了V₂CO₂ MXene材料对CO₂的选择性吸附性能.首先研究了不同官能团V₂CT_X MXene材料的结构和性质,发现V₂CO₂具有良好的稳定性.后研究了V₂CO₂对CO₂的吸附行为,结果表明,当CO₂被水平吸附时,V₂CO₂对CO₂气体分子的吸附能力较强且均满足在高性能吸附剂表面吸附CO₂的理想值(-0.42 eV-0.82 eV),可以适用于探测/捕获CO₂气体分子.此外,进一步研究了相同条件下V<...     

电场中MgO分子吸附H_2的理论研究

研究电场中MgO分子与H_2的相互作用是探索MgO材料储氢性能的基础.在B3LYP/6-31G**水平上研究了电场中H2在MgO分子上的吸附行为.结果给出电场中单个H_2在Mg/O上的吸附能由无电场时-0.021/-0.099eV提高到场强为0.005a.u.时的-0.037/-0.139eV.H2吸附在O离子上时,电场效应更显著.电场中MgO分子最多能吸附10个H_2,相应的质量密度达33wt%.表明电场诱导MgO材料吸附H_2是一种具有潜力的储氢方法.通过电子结构分析讨论了电场中MgO分子储氢的机理.     

电场中MgO分子吸附H2的理论研究

研究电场中MgO分子与H2的相互作用是探索MgO材料储氢性能的基础。在B3LYP/6-31G**水平上研究了电场中H2在MgO分子上的吸附行为。结果给出电场中单个H2在Mg/O上的吸附能由无电场时-0.021/-0.099eV提高到场强为0.005a.u.时的-0.037/-0.139 eV。H2吸附在O离子上时,电场效应更显著。电场中MgO分子最多能吸附10个H2,相应的质量密度达33wt%。表明电场诱导MgO材料吸附H2是一种具有潜力的储氢方法。通过电子结构分析讨论了电场中MgO分子储氢的机理。     

电场中(MgO)_2吸附H_2的理论研究

电场诱导MgO材料吸附H_2是一种有效的储氢方法,而较高的场强制约其广泛应用.本文在B3LYP/CC-PVTZ水平上对电场中(MgO)_2团簇的储氢性质进行了研究,结果表明仅需外加强度为0.005a.u.的电场,就能使其对单个H_2在Mg/O上的吸附能由无电场时的-0.143/-0.091 eV提高到-0.202/-0.134 eV.该场强远小于其他大尺寸MgO材料达到相同吸附强度所需的电场,表明降低材料尺寸是减少储氢所需电场强度的一种可能方法 .计算还表明电场中(MgO)_2最多能吸附8个H_2,相应的质量密度达到16.7 wt%.     

电场中(MgO)2吸附H2的理论研究

电场诱导MgO材料吸附H2是一种有效的储氢方法,而较高的场强制约其广泛应用。本文在B3LYP/CC-PVTZ水平上对电场中 (MgO)2团簇的储氢性质进行了研究,结果表明仅需外加强度为0.005 a. u. 的电场,就能使其对单个H2在Mg/O上的吸附能由无电场时的-0.143/-0.091 eV提高到-0.202/-0.134 eV. 该场强远小于其他大尺寸MgO材料达到相同吸附强度所需的电场,表明降低材料尺寸是减少储氢所需电场强度的一种可能方法。计算还表明电场中(MgO)2最多能吸附8个H2,相应的质量密度达到16.7 wt%。     

CO在尖晶石结构CuCr2O4(111)表面上的吸附理论研究

采用密度泛函理论，研究了CO在具有尖晶石结构的过渡金属氧化物CuCr2O4(100)表面上的吸附. 几何构型优化结果表明，CO倾向于以碳端吸附在Cu原子上，吸附能达到133.2 kJ/mol. 吸附在五配位的Cr原子上也比较稳定，吸附能为57.5 kJ/mol. 吸附后，C-O键伸长，振动频率出现红移，表明分子被活化. 同时分析了吸附前后态密度的变化，探讨了CO与底物的成键机理.     

外电场对CO分子及离子性质的调制和降解

基于密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在6-311G++基组水平上,计算研究外加电场下CO分子及离子物理性质,包括总能量、键长、电荷分布、能级分布和红外光谱,并根据势能曲线研究CO外加电场下的降解。随着外电场逐渐增大(- 0.015 a. u.~0.015 a. u.),CO的性质发生明显的变化, 电场增大到一定程度时可实现CO分子降解。同样,CO⁺离子的总能量随电场的增大逐渐减小,键长变长,偶极矩逐渐变大,分子能隙在Alpha轨道中逐渐减小,在Beta轨道中逐渐增大,红外光谱的强度相应逐渐增大。电场从0.0 a. u增大到0.150 a. u.时,势能曲线的变化同样表明CO⁺离子离解能减小。电场增大到一定程度时可实现CO⁺离子降解。