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。     

单原子Al修饰空位缺陷V2C（MXene）对H2气体表面吸附的第一性原理研究

基于第一性原理计算方法,对含空位缺陷的V₂C(MXene)在不同位点修饰单原子Al的相关性能进行系统研究.研究表明,几何优化后得到含空位缺陷的V₂C稳定结构表面能为-3075.53 J/m²,单原子Al修饰本征V₂C单原子的吸附能为1.5511eV、单原子Al修饰空位缺陷V₂C的吸附能为-2.0763 eV,这表明含空位缺陷的V₂C,由于单原子Al的修饰可以明显改善晶体结构稳定性.进一步从态密度、分波态密度、吸氢能力研究发现,各体系态密度和分波态密度均出现分波越过费米能级的现象,表现出较强的金属性;V₂C吸附H₂气体分子吸附能为-7.5867 eV,而空位缺陷V₂C和单原子Al修饰空位缺陷V₂C两个体系对H₂气体分子的吸附能仅为-0.9851 eV、-2.7130 eV,均未能进一步改善V₂C对H₂气体分...     

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.     

NO在Ni_xAg_y(x+y=13)团簇表面吸附分解的第一性原理研究

基于第一性原理计算方法,对Ni_xAg_y(x+y=13)团簇的几何结构进行优化后,研究了NO在此类团簇表面不同位置的吸附分解行为,讨论了团簇的束缚能、束缚能的二阶差分、能隙以及吸附前后键长、吸附能、NO分波态密度的变化情况.结果表明,团簇对称性随着Ni的占比变化而变化,稳定性随Ni占比增加而增强,束缚能的二阶差分随着Ni原子的增多呈现奇偶震荡性,NO@Ni_xAg_y(x+y=13)团簇表面吸附行为主要为化学吸附,吸附后N-O键长的变化在0.028?～0.092?之间.对团簇吸附NO的态密度分析发现,吸附后NO的2π*轨道失去电子,1π轨道得到电子,从而导致吸附能的变化.     

H2S在五边形BCN上的吸附与解离的第一性原理计算研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了H2S分子在五边形BCN上的吸附与解离过程. 研究结果表明,五边形BCN结构的B原子是H2S分子的最稳定的活性吸附位点. H2S分子在该活性位点极易解离,其初步解离过程为放热反应且分解势垒仅为0.208 eV,并形成稳定的HS/H产物. 深入研究发现,H2S分子初步解离后的五边形BCN表面,可直接分解后续吸附的H2S分子. 该研究结果为五边形BCN对H2S分子的吸附解离机制提供理论借鉴,并且首次提出五边形BCN可作为功能性材料净化有害气体H2S的理想候选者.     

NO在Ir(111)表面吸附与解离的第一性原理研究

本文系统研究了NO在Ir(111)表面的吸附,解离,以及可能的N_2生成机理.结果表明,顶位吸附的NO,其解离能垒较高(3.17 eV),不会发生解离,而三重Hcp和Fcc空位吸附的NO发生解离,能垒分别为1.23和1.28 eV.N_2是唯一的生成物,不会有副产物N_2O的产生.其最可能的反应路径为N和NO经过N_2O中间体而生成N_2,而不是直接N提取和N-N聚合产生N_2的机理.     

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<...     

碳纳米锥吸附Na的第一性原理计算

本文采用第一性原理计算结合从头算分子动力学的方法,研究了碳纳米锥(CNC)、B和N掺杂碳纳米锥(B-CNC和N-CNC)的稳定性,结果表明CNC、B-CNC和N-CNC均可以稳定存在.在此基础上分别研究了Na原子在CNC、B-CNC和N-CNC上的吸附行为.结果表明：1) Na原子在CNC五元碳环中心顶部位置的吸附最强,吸附能为-2.52 eV. CNC的能隙(Eg)为1.96 eV. 2) B和N掺杂CNC后,B-CNC和N-CNC的导电性均显著增强. 3)与CNC相比,Na原子在B-CNC上的吸附增强,而在N-CNC上的吸附则显著减弱.这表明B-CNC有望作为Na离子电池的负极材料.本文的研究结果对以CNC为负极材料的Na离子电池的研究提供了理论指导.     

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.     

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.     

Fe掺杂碳纳米管吸附甲硝唑的第一性原理计算

甲硝唑(MNZ)的滥用对水环境造成了严重的污染.本文采用第一性原理计算的方法,研究了单壁碳纳米管(CNT)和Fe掺杂碳纳米管(Fe-CNT)对MNZ的吸附作用.分别计算了单壁CNT和Fe-CNT与MNZ的吸附结构、吸附能、电子轨道、电荷转移、态密度等.结果表明原始CNT对MNZ吸附作用较弱,而Fe-CNT与MNZ的相互作用明显增强.因此,Fe-CNT有望成为吸附水中污染物MNZ的候选材料.     

电场作用下S修饰C24N24从CO2/N2混合气体中选择性吸附

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修饰C24N24富勒烯对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 au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下,S修饰C24N24富勒烯对N2的吸附也为弱的物理吸附。这表明,通过控制外加电场的开/关,S@C24N24可以从CO2/N2混合气体中选择性捕获/释放CO2,可作为选择性捕获CO2的优良候选材料。     

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。     

TiO2表面氧空位对NO分子吸附的作用

采用程序升温热脱附(TPD)实验方法测定了NO在TiO2表面吸附后的脱附谱，利用分子轨道理论研究了TiO2吸附NO的原子簇模型及吸附前后的原子簇能级变化．结果表明，NO在TiO2表面吸附后可在两个峰值温度450和980K脱附出N2．TiO2表面经预覆氧处理后，N2的脱附量降低．吸附时NO中的O能够占据TiO2表面氧空位并与N脱离，而N原子则相互结合成为N2脱附．分子轨道理论计算证明在TiO2(110)表面能够存在氧空位并具备吸附NO的结构条件．     

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.     

CH_4、H_2O在CaCO_3(010)表面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理方法,研究了CH_4和H_2O在CaCO_3(010)面上各高对称位的吸附情况,优化了CH_4与H_2O在T位、 B位和H位的吸附模型结构,计算了其在各高对称位的吸附能,并对其各自最稳定的吸附位吸附前后的物理结构和电子态密度进行了对比分析.结果表明:CH_4、 H_2O分子分别在LBⅢ位、 SBⅢ位最稳定,吸附能分别为-0.405 eV、-0.138 eV,是一种物理吸附,吸附前后键长键角的变化较小,表现为亲气;吸附后CH_4和H_2O的态密度曲线整体向低能量区偏移约7.5 eV、 5eV,吸附后CH_4和H_2O结构都更加稳定,吸附作用对CH_4和H_2O分子的电子结构影响显著.     

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.