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.     

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.     

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。     

Fe,Co,Ni掺杂石墨烯表面吸附C_2H_4的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA),本文对本征石墨烯以及掺杂Fe,Co,Ni石墨烯的几何结构和电子性质进行了优化计算,并计算了C_2H_4在本征石墨烯以及掺杂石墨烯表面的吸附过程,讨论了体系的吸附能、稳定性、DOS及掺杂对键长的影响.结果表明C_2H_4在本征石墨烯B位的吸附和掺杂石墨烯的吸附为化学吸附,在本征石墨烯T和H位的吸附为物理吸附;掺杂后石墨烯的比表面积增大,与本征石墨烯相比,掺杂使费米能级附近的态密度积分显著提高,表明掺杂石墨烯的电导性会发生变化,从而影响对C_2H_4的气敏度..C_2H_4在Fe、Co、Ni分别掺石墨烯的最佳吸附位为T位、H位和B位;掺杂Fe,Ni后体系的吸附能力显著提高,且掺杂Ni时体系的吸附能力最好.     

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.     

基于第一性原理的锂空气电池钌掺杂石墨烯正极 氧还原反应机理研究

双电解液锂空气电池因其高理论能量密度受到广泛研究,但电池正极侧氧还原反应(ORR)速率低,其反应速率是限制锂空气电池发展的主要因素之一.本文提出了以钌(Ru)掺杂单层石墨烯作为正极ORR催化剂,采用第一性原理计算nRu (n=1～3)掺杂石墨烯的电子结构和氧气在Ru掺杂石墨烯表面的吸附性能,并以过渡态搜索方法获得ORR反应路径,研究碱性溶液中Ru掺杂单层石墨烯作用下的ORR机理.研究结果表明,经Ru原子掺杂后,石墨烯能够获得稳定的掺杂结构,且电导率显著提升.同原始单层石墨烯相比,Ru掺杂石墨烯增强了对O₂的吸附能力.在三Ru(n=3)掺杂石墨烯表面进行的ORR无需克服任何能垒.此外,三Ru掺杂石墨烯表面对OH基团的吸附能最低,有利于ORR的连续进行.研究表明三Ru掺杂石墨烯有望成为一种新型的ORR催化剂以提高双电解液锂空气电池的性能.     

B、N、S掺杂石墨烯表面质子吸附的第一性原理研究

表面吸附是石墨烯中质子(H~+)输运的基础步骤.本文基于第一性原理计算研究了B、N、S掺杂对石墨烯表面H~+吸附行为的影响.结果表明,B、N、S掺杂对石墨烯的晶体结构、内聚能及电子性质有重要影响,且影响程度与掺杂元素的性质密切相关,进而导致对石墨烯表面H~+吸附行为产生不同程度的影响.从吸附能的观点看,N、B、S掺杂对石墨烯表面H~+的吸附有利.研究结果对石墨烯在氢贮存、氢同位素分离、燃料电池等领域的应用具有重要的指导意义.     

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.     

外来原子替代碳的氟化石墨烯的磁性和电子性质

采用基于自旋极化密度泛函理论的第一性原理计算,研究了在氟化石墨烯中少量C原子被M原子(M=B,N,Si,P)替代后原子片的磁性和电子性质.结果表明:不同原子掺杂后的氟化石墨烯的电子结构会发生很大的变化,并有很大的不同.掺杂B和P原子后,纳米原子片由半导体转变为金属,并且由非磁性转变为磁性;掺杂N原子后,材料则仍为半导体,但具有磁性;进一步讨论了掺杂原子浓度与磁性的关系.对于Si原子掺杂的氟化石墨烯原子片,其半导体性质不变,但禁带宽度也会发生改变.     

The adsorption behaviours of Pt adatom on pristine and defective bilayer graphene

The structural stability and electronic property of metal Pt atom anchors on two typical substrates (including the pristine and defective bilayer graphene, PBG and DBG) are studied using the first-principles calculations. For the PBG sheets, the Pt atom at the bridge site of bottom layer has only one stable adsorption, which is more stable than other sites of the top layer. For the DBG sheets, the doped Pt below defective site has the larger adsorption energy than that of the upper one. Compared to the isolated graphene films, the Pt(111) substrate-supported graphene systems have effect on the adsorption energies of Pt adatom to some extent, but it does not affect the most preferable configurations. Moreover, the diffusion pathways and energy barriers of Pt adatom on PBG and DBG substrates are comparatively investigated. For the DBG sheets, the Pt dopant has smaller diffusion barrier on upper layer than that of the intercalation process through the defective site. Therefore, the Pt dopant prefers to diffuse on the top layer and then forms the metal impurity. This work provides valuable information on understanding the formation process and intercalation mechanism of metal adatom on graphene sheets.     

扭转形变对石墨烯吸附O原子电学和光学性质影响的电子理论研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了扭转形变对石墨烯吸附O体系结构稳定性、电子结构和光学性质,包括吸附能、带隙、吸收系数及反射率的影响.研究发现,吸附O原子后,距O原子最近的C原子被拔起,导致石墨烯平面发生扭曲.吸附能计算表明,扭转形变使石墨烯吸附O原子体系结构稳定性下降,而扭转程度对结构稳定性影响微弱.能带结构分析发现,O原子的吸附使石墨烯由金属变成半导体,扭转形变发生时,可实现其从半导体到金属、再到半导体特性的转变.扭转角为12°的吸附O原子体系为间接带隙,而其他出现带隙的体系均为直接带隙.与本征石墨烯受扭体系相比,吸附O原子体系的电子结构对扭转形变的敏感度降低,其中扭转角在10°—16°范围内变化时,带隙始终稳定在0.11 eV附近,即在此扭转角范围内始终对应窄带隙半导体.在光学性能中,受扭转形变的吸附体系吸收系数和反射率峰值较未受扭转形变石墨烯吸附O原子体系均减弱,且随着扭转程度的加剧,均出现红移到蓝移的转变.     

缺陷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,研究了本征石墨烯和缺陷石墨烯吸附钠原子的电荷密度、吸附能、态密度和储存量.结果表明,本征石墨烯中,钠原子的最佳吸附位置为H位,缺陷石墨烯中,钠原子的最佳吸附位置为T_D位.缺陷石墨烯对钠原子的吸附能是-4.423 eV,约为本征石墨烯对钠原子吸附能的2.5倍;钠原子与缺陷石墨烯中的碳原子发生轨道杂化,而与本征石墨烯没有发生轨道杂化现象.缺陷石墨烯能够吸附10个钠原子,与本征石墨烯相比显著提高.因此,缺陷石墨烯有望成为一种潜在的储钠材料.     

Theoretical investigation of structures and energetics of sodium adatom and its dimer on graphene: DFT study

Extensive ab initio calculations have been performed to study the energetics of a sodium (Na) atom and its dimer adsorbed on graphene using the SIESTA package Soler et al. (2002) [1] which works within a DFT(density functional theory)–GGA (generalized gradient approximation) pseudopotential framework. The adsorption energy, geometry, charge transfer, ionization potential and density of states (DOS), partial density states (PDOS) of adatom/dimer-graphene system have been calculated. After considering various sites for adsorption of Na on graphene, the center of a hexagonal ring of carbon atoms is found to be the preferred site of adsorption while the Na₂ dimer prefers to rest parallel to the graphene sheet. We find insignificant energy differences among adsorption configurations involving different possible sites in parallel orientation, which implies high mobility of the dimer on the graphene sheet. We also notice only a slight distortion of the graphene sheet perpendicular to its plane upon adatom adsorption. However, some lateral displacements seen are more perceptible.     

First-principles study of hydrogen adsorption on titanium-decorated single-layer and bilayer graphenes

The adsorption of hydrogen molecules on titanium-decorated （Ti-decorated） single-layer and bilayer graphenes is studied using density functional theory （DFT） with the relativistic effect. Both the local density approximation （LDA） and the generalized gradient approximation （GGA） are used for obtaining the region of the adsorption energy of H2 molecules on Ti-decorated graphene. We find that a graphene layer with titanium （Ti） atoms adsorbed on both sides can store hydrogen up to 9.51 wt% with average adsorption energy in a range from -0.170 eV to 0.518 eV. Based on the adsorption energy criterion, we find that chemisorption is predominant for H2 molecules when the concentration of H2 molecules absorbed is low while physisorption is predominant when the concentration is high. The computation results for the bilayer graphene decorated with Ti atoms show that the lower carbon layer makes no contribution to hydrogen adsorption.     

双层h-BN/Graphene结构稳定性及其掺杂特性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了双层h-BN/Graphene的稳定性及其掺杂特性.研究发现,双层h-BN/Graphene能带结构在K点处有一个小的带隙,在费米能处有类Graphene的线性色散关系.通过施加应变和掺杂来调节带隙,发现掺杂后费米能级附近引入的新能级,主要是N原子的贡献,掺杂后的Na原子和N,C之间存在电荷转移,材料转变为金属性.电荷的转移、载流子密度的增加,在电子元器件中有重要的应用前景.