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.     

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.     

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.     

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.     

二维材料WTe_2用于气体传感器的性能研究

二维过渡金属硫族化合物由于具有大的比表面积、高的载流子迁移率以及快速响应等特性,在高性能气体传感器应用方面具有显著优势.本文通过密度泛函理论计算,研究了CO,CO_2,NH_3,NO,NO_2气体分子在单层WTe_2表面的吸附构型、吸附能、电荷转移、电学及磁学特性.结果表明,N基气体分子的吸附能小于C基气体分子的吸附能,说明WTe_2对N基气体分子的吸附更敏感.电荷分析结果表明,NH_3气体分子吸附在WTe_2表面时表现为给电子体,而其他四种气体分子都表现为得电子体.能带结构方面,与CO,CO_2,NH_3气体分子相比,磁性气体分子NO和NO_2的吸附在费米能级附近引入了杂质能带,杂质能带主要来源于O原子和N原子的p轨道.此外,NO和NO_2气体分子分别诱导了0.99μB和0.80μB的磁矩.本文的研究结果为实验上制备基于WTe_2的超灵敏气体传感器提供理论指导.     

ITO负载单原子钇吸附NO和CO的第一性原理研究

基于密度泛函理论,对氧化铟锡(Indium Tin Oxide,ITO)表面负载单原子Y模型的表面性能进行了第一性原理计算.根据表面能计算结果可知,单原子Y最稳定负载位置为空位(H),即确定了ITO负载单原子钇(Single-atom Y supported on ITO,Y/ITO)稳定模型.对ITO和Y/ITO表面吸附气体分子(NO和CO)模型的吸附性能进行了第一性原理计算.根据对比ITO和Y/ITO表面的吸附能和态密度计算结果可知,单原子钇负载提高了ITO表面的稳定性和吸附性能.根据对比Y/ITO表面吸附NO和CO气体分子的吸附能和态密度计算结果可知,NO和CO气体分子吸附均为自发行为,过程放热.且NO气体分子更容易吸附在Y/ITO表面,即Y/ITO对NO气体分子更敏感.     

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.     

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.     

N-doped graphene as a nanostructure adsorbent for carbon monoxide: DFT calculations

ABSTRACT

This work reports the physisorption of carbon monoxide (CO) on the surface of N-doped graphene. To study the adsorption of CO on N-doped graphene, some quantum chemical calculations were used through density functional theory. Based on our results, it can be found that the CO molecule could be adsorbed on the surface of N-doped graphene physically with the adsorption energies (E_ads) of ?2.9 and ?0.8 kcal mol^?1 (depends on the kind of configuration) while positive adsorption energies were calculated upon adsorption of CO on pristine graphene. We used the charge analysis for calculation of the net transferred charge of adsorbed CO on pristine and N-doped graphene sheets to evaluate the sensing ability of surface. The global indices of reactivity were calculated from the differences of the lowest unoccupied molecular orbital and highest occupied molecular orbital energies. Graphs for density of states point to some orbital hybridisation between CO molecule and N-doped graphene. Consequently, the N-doped graphene transforms the existence of CO molecules into electrical signal, and it may be potentially used as a sensor for CO.     

Enhanced gas-sensing performance of graphene by doping transition metal atoms: A first-principles study

By performing the first-principles calculations, we investigated the sensitivity and selectivity of transitional metal (TM, TMSc, Ti, V, Cr and Mn) atoms doped graphene toward NO molecule. We firstly calculated the atomic structures, electronic structures and magnetic properties of TM-doped graphene, then studied the adsorptions of NO, N₂ and O₂ molecules on the TM-doped graphene. By comparing the change of electrical conductivity and magnetic moments after the adsorption of these molecules, we found that the Sc-, Ti- and Mn-doped graphene are the potential candidates in the applications of gas sensor for detection NO molecule.     

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.     

Adsorption configurations of carbon monoxide on gold monolayer supported by graphene or monolayer hexagonal boron nitride: a first-principles study

Using density functional theory with a semiempirical van der Waals approach proposed by Grimme, the adsorption behavior of carbon monoxide on a gold monolayer supported by graphene or monolayer hexagonal boron nitride has been investigated. Based on the changes in the Dirac cone of graphene and a Bader charge analysis, we observe that the Au(111) monolayer gains a small charge from graphene and monolayer h-BN. The adsorbed CO molecule adopts similar adsorption configurations on Au(111)/graphene and Au(111)/h-BN with Au-C distance 2.17?2.50 Å and Au-C-O angle of 123.9°–139.6°. Moreover, we found that for low CO coverages, bonding to the gold surface is surprisingly energy-favorable. Yet the CO adsorption binding energy diminishes at high coverage due to the repulsive van der Waals interactions between CO molecules.