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.     

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.     

氧化石墨烯负载的Pt单原子催化硼胺烷水解机理的理论研究

本文研究了氧化石墨烯负载Pt单原子(Pt₁/Gr-O)催化硼胺烷(NH₃BH₃)全水解反应机理,即一分子的NH₃BH₃生成三分子的氢气(H₂)的过程. 在水解路径中,首先吸附的硼胺烷连续断裂两个B-H键生成第一分子的H₂. 接着,一个H₂O分子与^*BHNH₃基团(^*表示吸附态)反应生成^*BH(H₂O)NH₃,其中伸长的O-H键断裂后形成^*BH(OH)NH₃. 然后,第二个H₂O与^*BH(OH)NH₃反应生成^*BH(OH)(H₂O)NH₃,在指向Pt₁/Gr-O表面的O-H断裂后,生成BH(OH)₂NH₃并脱附到水溶液中. 两个水分子脱氢产生的两个H原子脱附生成第二个H₂分子,且Pt₁/Gr-O催化剂恢复. 脱附后的BH(OH)₂NH₃在水溶液中水解生成第三个H₂分子. 纵观整个水解反应,H₂O分子和^*BHNH₃基团的结合是反应速控步,其反应能垒是16.1 kcal/mol. 因此,Pt₁/Gr-O有希望成为室温催化NH₃BH₃全水解催化剂.     

密度泛函理论研究草甘膦在纯的, 金属原子掺杂石墨烯表面的吸附机理

本研究采用密度泛函理论方法详细讨论了纯的石墨烯及Ti, Fe, Al, Ca原子掺杂石墨烯吸附草甘膦的机理.通过它们之间的吸附能,差分电荷密度,布居电荷,态密度分析发现草甘膦可以被纯的石墨烯及金属原子掺杂石墨烯不同程度地吸附.纯的石墨烯对草甘膦的吸附作用远不及掺杂石墨烯,其中,草甘膦在Ca掺杂石墨烯表面有最强相互作用.这是因为草甘膦与纯的石墨烯之间主要形成了-P=O…π,-COOH…π和-OH…π非共价的相互作用,而与掺杂石墨烯之间主要形成了Metal-O“单齿”和O-Metal-O“双齿”共价相互作用.本研究结果希冀为石墨烯在环境保护方面的应用提供有价值的理论指导.     

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.     

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.     

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     

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.     

石墨烯吸附钛原子的第一性原理研究

基于密度泛函理论研究了单个钛原子分别位于本征石墨烯GR、点缺陷石墨烯（包括空位石墨烯DGR和氮掺杂石墨烯N-GR）薄片表面的吸附机理。通过计算钛原子在本征石墨烯表面不同位置时的吸附结构和吸附能,发现最稳定吸附位置是碳六元环的中心;计算了各个吸附体系的吸附能、态密度和差分电荷密度,研究表明三个吸附体系碳钛间均产生了电子轨道杂化,掺氮后的石墨烯对钛原子的吸附性能略微增强,而空位石墨烯对钛的吸附能是本征石墨烯的4倍,费米能级附近电子态局域化程度最大,吸附效果最好。     

Fe2O3上AsH3催化氧化反应机理的理论研究

本文采用密度泛函理论方法研究了Fe₂O₃上AsH₃的催化氧化反应机理.该反应以Fe₂O₃中的两个Fe原子为不同的活性中心进行研究,每个活性中心均设计了3个步骤. AsH₃分子依次与3个O₂分子在催化剂上相互作用分别形成中间体H₃AsO₂、H₃AsO₄及最终产物H₃AsO₆.研究发现,当氧化反应发生在1号铁原子(Fe1)附近,其速度控制步骤活化自由能垒为49.99 kcal/mol;当氧化反应发生在2号铁原子(Fe2)附近,其活化自由能垒为21.20 kcal/mol,与直接氧化(50.14 kcal/mol)相比大大降低.可见AsH₃在Fe₂O₃上的催化氧化反应更易发生在Fe2附近.     

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.     

甲基铝氧烷纳米管分子结构的理论研究

用密度泛函理论对[(AlOMe)₂]_n、[(AlOMe)₃]_n和[(AlOMe)₄]_n (n=1～10)作为重复单元组成的甲基铝氧烷(MAO)纳米管进行了研究,计算了其所有体系的结合能和总能量．结果表明,[(AlOMe)₃]_n和[(AlOMe)₄]_n具有稳定的纳米管结构,在所有研究系统中n=3时具有最稳定的结构．考察发现,[(Al₅O₅)]_n和[(Al₇O₇)]_n两种结构的二聚体具有无规则、扭曲的结构,不能继续增长形成纳米管结构．     

铱催化甲醇羰基化制乙酸循环反应的理论探究

采用密度泛函理论DFT-B3LYP方法, 对铱、碘元素采用相对论校正赝势基组SDD, 对C、O、H采用6-311+G(2d, p)基组, 优化了各反应物、中间体和过渡态的构型特征, 通过能量和振动分析证实了过渡态的真实性. 理论研究了阴离子循环中铱催化甲醇羰基化制乙酸的循环反应机理. 运用能量跨度模型获得了反应的动力学信息, 确定了各反应的决速中间体和决速过渡态和各催化剂的能量跨度和转化频率. 通过对cis-[Ir(CO)2I2]- 和 trans-[Ir(CO)2I2]-催化剂电荷密度的分析比较, 得到中心金属的富电子性提高了其催化能力, 以上计算结论与文献假设相符.     

铱催化甲醇羰基化制乙酸循环反应的理论探究

采用密度泛函理论DFT-B3LYP方法,对铱、碘元素采用相对论校正赝势基组SDD,对C、O、H采用6-311+G(2d,p)基组,优化了各反应物、中间体和过渡态的构型特征,通过能量和振动分析证实了过渡态的真实性.理论研究了阴离子循环中铱催化甲醇羰基化制乙酸的循环反应机理.运用能量跨度模型获得了反应的动力学信息,确定了各反应的决速中间体和决速过渡态和各催化剂的能量跨度和转化频率.通过对cis-[Ir(CO)_2I_2]~-和trans-[Ir(CO)_2I_2]~-催化剂电荷密度的分析比较,得到中心金属的富电子性提高了其催化能力,以上计算结论与文献假设相符.     

奥硝唑在TiO_2(101)晶面上吸附特征的理论研究

奥硝唑残留是一种新兴污染物,对环境和人类健康具有巨大的威胁.采用密度泛函理论,研究了奥硝唑在锐钛矿TiO_2(101)晶面的吸附特性.优化了奥硝唑在锐钛矿TiO_2(101)晶面的吸附结构,计算了最佳吸附位点,吸附能,态密度,电子结构图.结果表明,当咪唑环上N(3)原子吸附在TiO_2的Ti(5)原子上时,吸附能最大,为最稳定的吸附构型.通过对吸附构型的分析,我们发现C(2)-N(3)键呈现变弱趋势,我们推测奥硝唑在TiO_2表面降解的可能性以及反应活性位点就是咪唑环上C-N键.     

Theoretical study for magnetic effect in dissociative adsorption of oxygen to a platinum monolayer on Ni(110) surface

We investigate oxygen dissociative adsorption to a platinum monolayer on Ni(110) surface (Pt/Ni(110)) by density functional theory. We have shown that the activation barrier on Pt/Ni(110) is lower than that on a clean Pt(001) surface. This may be due to the effect of magnetization of Pt surface. The reason of decrease of activation barrier can be attributed to the flow of electrons from oxygen to platinum surface because the d orbitals have spin polarization at the Fermi level where the down spin d orbitals are unoccupied.