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.     

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.     

石墨烯与二氧化氮的吸附特性研究

由于石墨烯的二维结构以及其超高的比表面积,因此石墨烯可以感应到一个分子量级的变化,这使得其在气体传感方面具有很大的优势.文章通过计算和分析了石墨烯与二氧化氮的系统的能带结构,态密度和电荷分布情况来说明石墨烯吸附二氧化氮后的特性变化.这有助于进一步了解了石墨烯的特性,同时进一步推动石墨烯传感的发展.     

石墨烯与二氧化氮的吸附特性研究

由于石墨烯的二维结构以及其超高的比表面积,因此石墨烯可以感应到一个分子量级的变化,这使得其在气体传感方面具有很大的优势。文章通过计算和分析了石墨烯与二氧化氮的系统的能带结构,态密度和电荷分布情况来说明石墨烯吸附二氧化氮后的特性变化。这有助于进一步了解了石墨烯的特性,同时进一步推动石墨烯传感的发展。     

气体吸附对V掺杂石墨烯电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法研究了气体分子吸附对V掺杂石墨烯的吸附能、电子结构与光学性质的影响．能带结构计算表明:吸附NO₂分子的V掺杂石墨烯的带隙显著增加,从0 e V变为0.368 e V,由金属性转变为半导体特性,而吸附CO与NH₃分子的V掺杂石墨烯的带隙则变化很小．三种吸附构型(NO₂,CO,NH₃)的吸附能分别为-8.499 e V、-2.05 e V和-2.01e V,说明V掺杂石墨烯对NO₂气体分子吸附最强．进而计算了本征、V掺杂石墨烯及其吸附NO₂分子的光学性质,结果表明:随着V掺杂与吸附NO₂气体,石墨烯介电吸收峰值有所增大,介电峰位向低能量区域移动;本征石墨烯仅吸收紫外光,V掺杂石墨烯吸附NO₂分子可以明显拓宽光吸收的光谱范围;掺杂与吸附使得石墨烯光电导率显著增强,能在红外与可见光区产生光电流．上述结果表明V掺杂石墨烯吸附NO₂后...     

氧原子在银原子簇表面吸附重构的DFT研究

选取三层原子簇模型模拟Ａｇ（１１０）表面,采用量子化学的电子密度泛函方法（ＤＦＴ）研究了氧原子吸附在Ａｇ（１１０）表面而引起银天面的多种重构现象。通过计算体系结合能优化得到吸附后体系的表面几何构型,并给出了相关的电离能、电子跃迁能,计算表明：氧原子吸附在银原子长桥位上,位于银表面之上的０．４Ａ处,氧原子的吸附引起银原子表面强烈驰豫。第一、二层银原子间距扩张;第二、三层银原子间距收上于氧原子的吸附,第一层银原子出现丢失行现象,第二层银原子出现两成对现象,而第三层银原子出现弯曲现象。     

有机官能团的太赫兹光谱特征研究

采用傅里叶远红外光谱仪(FTIR),在室温条件下测量了多种饱和直链有机小分子的太赫兹光谱。测试结果显示,有机官能团的差异导致有机物的太赫兹光谱特征显著不同。其中,有机物的晶格振动吸收峰和分子间氢键的振动吸收峰分别位于太赫兹高频和低频波段。而且,饱和直链一元醇的—OH官能团产生的分子间氢键的特征峰位于57 cm-1,而三十烷酸的—COOH官能团产生的分子间氢键的特征峰则位于74 cm-1。分子间氢键使三十烷醇和三十烷酸对太赫兹辐射的吸收能力明显地强于三十烷烃。相比于三十烷醇,三十烷酸的太赫兹特征峰还发生有规律的红移和蓝移现象。此外,还采用密度泛函理论B3LYP/6-311G(d, p)基组对饱和直链烷烃、烷醇和烷酸的太赫兹光谱进行了仿真计算,发现分子间氢键作用越强的有机物的单体分子的仿真结果与实测光谱的吻合程度越低。二聚体结构的仿真结果与实测光谱的吻合程度明显地高于单分子结构。研究结果对利用FTIR研究其他有机官能团的太赫兹光谱特征、探索有机分子内部的振动模式、探究有机物太赫兹响应的物理原理及器件应用等具有重要意义。     

Y掺杂空位石墨烯对NO及CO气体表面吸附的第一性原理研究

摘　要：基于第一性原理的计算方法,建立了本征石墨烯、空位石墨烯及钇( Y)掺杂空位石墨烯模型,并计算了CO、NO在三类石墨烯表面的吸附过程. 从表面能、吸附结构、吸附能和态密度四个方面进行分析讨论,研究掺杂Y对CO、NO气体吸附性能的影响. 结果表明：CO、NO与本征石墨烯之间的吸附为弱的物理吸附,掺杂Y后增强了材料表面对CO、NO的吸附效果,最大吸附能分别为7.414eV、6.702eV,属于化学吸附;掺杂Y使空位石墨烯费米能级附近有了更多的活跃电子,其吸附NO后体系由半金属转变为金属特性,该特性能为开发更加优良的石墨烯气敏材料提供理论支持.     

DFT研究掺杂和电场条件下2,6-二氯苯并-2,4-二氯苯胺在石墨烯表面的吸附

本工作采用密度泛函理论详细探讨了2,6-二氯苯并-2,4-二氯苯胺（2,6-DBDA）氯代有机二噁英与纯的, Fe和Ti掺杂石墨烯之间的吸附机理, 并考虑了外加电场对吸附的影响. 结果表明掺杂 Fe和Ti原子增强了2,6-DBDA 在石墨烯表面的吸附, 这是因为Fe和Ti掺杂石墨烯与2,6-DBDA间形成了metal-N和metal-Cl共价相互作用. 此外, 在外加电场的作用下, 不同原子掺杂的石墨烯对2,6-DBDA的吸附影响不同. 2,6-DBDA-Ti-G体系, 在添加0.010 au的外电场时有最大相互作用, 而2,6-DBDA-Fe-G体系, 相互作用随着电场的施加反而有所减小. 金属掺杂及电场可以灵活调控2,6-DBDA在石墨烯表面的吸附, 此研究有望为氯代有机二噁英的检测及去除提供有价值的理论指导.     

电子束辐照改性铀吸附材料中官能团的性能研究

探讨了带有肟胺基官能团材料的制备、 吸附铀的机理及其对盐湖卤水中铀的吸附效果。 利用电子束辐照法制备肟胺化无纺布, 红外光谱显示材料中含有肟胺基存在, 表明肟胺基成功的接枝在无纺布基体上。 研究了铀溶液的初始pH、 吸附时间和固液比等因素对铀吸附效果的影响, 吸附过程中络合反应为控速步骤。 肟胺化纤维和肟胺化无纺布对盐湖卤水样品具有较高的吸附效率, 可以作为盐湖提铀的备选材料。 Amidoximed fiber and fabric were synthesized with the purpose of adsorbing U in salt lake and the adsorption mechanism was discussed. IR indicated that amidoxime was graft to the fabric which was irradiated by electron beam. Batch experiments were conducted to study the effects of initial pH, amount of adsorbent, shaking time on uranium sorption efficiency. The sorption of uranium on amidoxime was dependent on the pH value of the solution, and the optimal pH was 4.0. Uranyl was taken out from solution in the form of complex with amidoxime. Uranium recovery efficiency from salt lake was more than 50% with amidoximed fiber and fabric which can be used as uranium extraction material.     

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.     

活性炭表面含氧官能团对汞吸附的作用

本文对采用不同方法处理后的活性炭进行BET、官能团分析和汞吸附性能实验,研究其表面含氧官能团对汞吸附的作用。结果表明:活性炭表面的酯基与羰基能提高汞的吸附效率,高于100℃时是影响活性炭汞吸附效率的主要因素。物理吸附,羰基与酯基吸附的汞的程序升温脱附温度峰值分别为100,210和320℃。汞在与活性炭表面接触后优先被吸附能高的化学吸附位点吸附,化学吸附饱和后,才会进行物理吸附。     

钠在空位石墨烯上吸附性能的研究

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空位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,在两种石墨烯中,钠原子的最佳吸附位置都为H位.空位石墨烯对钠原子的吸附能是-2. 46 eV,约为本征石墨烯对钠原子吸附能的3. 4倍;钠原子与空位石墨烯中的碳原子发生轨道杂化,而与本征石墨烯没发生轨道杂化现象.存在一个空位的石墨烯能够吸附5个钠原子,与本征石墨烯相比显著提高.因此,空位石墨烯有望成为一种潜在的储钠材料.     

掺杂石墨烯吸附特性的第一性原理研究

利用第一性原理方法研究了一氧化碳分子在本征和硼、氮、铝、磷掺杂的有限尺寸石墨烯上的吸附机理.结果表明,石墨烯作为一氧化碳传感器时的性能依赖于掺杂元素.本征、硼和氮掺杂石墨烯吸附一氧化碳时的吸附能较低,为物理吸附.铝、磷掺杂石墨烯的吸附能显著提高,比本征、硼和氮掺杂时高出约一个数量级,且铝和磷原子从石墨烯中突出,使其发生局部弯曲.铝掺杂石墨烯增强了石墨烯与一氧化碳分子之间的相互作用,可以提高石墨烯的气敏性和吸附能力,是一氧化碳传感器的最佳候选材料之一.     

碱金属修饰的多孔石墨烯的储氢性能

基于第一性原理深入研究了碱金属原子(Li,Na,K)修饰的多孔石墨烯(PG)体系的储氢性能,并且通过从头算分子动力学模拟了温度对Li-PG吸附的H2分子稳定性的影响.研究结果表明,PG结构的碳环中心是碱金属原子最稳定的吸附位置,PG单胞最多可以吸附4个碱金属原子,Li原子被束缚最强,金属原子间无团聚的倾向;H2分子通过极化机制吸附在碱金属修饰的PG结构上,每个金属原子周围最多可以稳定地吸附3个H2分子;Li-PG对H2分子的吸附最强(平均吸附能为-0.246 eV/H2),Na-PG对H2分子的吸附较弱(平均吸附能为-0.129 eV/H2),K-PG对H2分子的吸附最弱(平均吸附能为-0.056 eV/H2),不适合用做储氢材料;在不考虑外界压强且温度为300 K的情况下,Li-PG结构可稳定地吸附9个H2分子,储氢量为9.25 wt.%;在400 K时,有7个吸附H2分子脱离Li-PG的束缚,在600-700 K的范围内,吸附H2分子全部脱离了Li-PG体系的束缚.     

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。     

褐煤颗粒表面官能团的分布特征

采用原位傅里叶红外光谱漫反射测试了北皂褐煤在粒度为40—60目、60—80目、80—100目、100—160目和160目—0.1mm的官能团分布特征,对比分析了不同粒度范围内的红外测试谱图。结果表明,粒度在40—60目以后,官能团区域可识别的特征吸收峰基本一致,可识别的官能团主要是醇羟基、多元醇及缔合羟基,甲基亚甲基,不饱和醛、脂肪烃链式饱和羧酸盐、烯烃,以及苯环取代;在160目—0.1mm的粒度范围内,指纹区验证更加准确,谱图峰型峰位以及峰面积更加准确,能够满足定量分析的要求。研究成果对研究煤不同粒度的宏观特性以及红外特征的定性分析具有重要的指导作用。     

氧化石墨烯快速修饰表面等离子体共振传感芯片的研究

表面等离子体共振(SPR)是近年来兴起的一种光学检测技术。其主要利用光波经全反射后产生的倏逝场与金属相互作用而感知外界介质的折射率变化。理论上任何介质折射率变化现象的发生都能被SPR技术检测到。在实际应用中,SPR传感器存在灵敏度不高,检测信号不强等缺点,因此对提高SPR传感器检测灵敏度的研究一直备受关注。氧化石墨烯又被看成是石墨烯的氧化物,它有着与石墨烯相近似的光电学特性,但又比石墨烯更容易进行化学修饰,因此被广泛用作SPR传感芯片的表面镀层来提高灵敏度。将氧化石墨烯用于修饰SPR芯片以提高灵敏度的报道很多,但对氧化石墨烯的使用量说法不一,并且在制备氧化石墨烯修饰传感芯片时需要浸泡很长一段时间,大大影响了芯片制备效率。该研究中使用长直链功能化聚乙二醇(polyethylene glycol, PEG)对SPR金芯片表面进行化学改性,用流动冲刷的方法使氧化石墨烯溶液对芯片进行修饰。通过对折射率变化响应信号的对比,最终确定氧化石墨烯最佳使用浓度为0.5 mg·mL^-1,并且将修饰时间降到20 min以内。研究了不同波长入射光对氧化石墨烯修饰后芯片共振峰的影响,并对芯...