石墨烯吸附甲醛的第一性原理研究

采用第一性原理研究了甲醛分子吸附于本征石墨烯、缺陷石墨烯和掺杂石墨烯的体系.通过计算石墨烯掺杂前后对甲醛气体的吸附能、电荷转移及能带和态密度,发现掺杂Pt后甲醛分子吸附能和电荷转移显著增大,这是由于Pt的掺杂在本征石墨烯能带中引入了杂质能级,增强了石墨烯和甲醛分子间的相互作用,可以提高石墨烯对甲醛气体的气敏响应速度和吸附能力.     

掺杂和修饰的石墨烯对半胱氨酸吸附性能的密度泛函理论研究

使用密度泛函理论计算了掺杂或修饰Al或Mn原子的石墨烯对半胱氨酸的吸附性能。计算结果表明,掺杂或修饰Al或Mn原子后,Graphene与半胱氨酸之间结合稳定,具有较大的结合能。其中掺杂或修饰Mn原子的体系的吸附能整体高于掺杂或修饰Al原子的体系。石墨烯上修饰或掺杂Al或Mn原子,增加了石墨烯基底与半胱氨酸之间的电荷转移,特别是修饰方式显著改变了费米能级附近的性质,同时改变了Graphene的电导性质。Al或Mn原子修饰或者掺杂的Graphene除了增加对半胱氨酸吸附能力外,也是一种潜在的检测半胱氨酸的传感器材料,进而在生物领域得到更广泛的应用,比如用来检测富含半胱氨酸的金属硫蛋白。     

DFT方法研究一氧化氮在铬掺杂石墨烯上的吸附行为

石墨烯具有较高的比表面积,其电导率会因吸附微量气体分子而发生显著变化,有望用作超高灵敏度的气体传感器。本研究基于密度泛函理论(DFT)的计算方法,探讨了NO在石墨烯和Cr掺杂石墨烯上的吸附行为,通过对比吸附前后的各自体系的电子结构变化,发现Cr掺杂石墨烯有助于增强对NO气体分子的吸附能力,吸附能增大到–1.58 eV,基底转移到吸附物的电荷数增大了一个数量级,达到0.143 e,显著提升了气体探测灵敏度。本研究为工业、环境和军事监测领域中开发新型NO气体传感器提供了新的设计思路。     

不同浓度硼掺杂石墨烯吸附多层金原子的第一性原理研究

石墨烯与金属间过高的接触电阻严重影响了其在微纳电子领域的应用,B掺杂可以有效降低石墨烯的接触电阻。利用第一性原理研究了不同浓度B掺杂对石墨烯吸附多层Au原子的影响。首先计算了不同浓度B掺杂石墨烯的结合能,验证了掺杂石墨烯的稳定性;然后对掺杂石墨烯进行了结构优化并在其表面置入多层Au原子,计算了吸附模型的吸附能、赝能隙、局部态密度、电荷密度分布和电荷转移量。B掺杂浓度分别为1.39%,4.17%,6.94%,9.72%,12.50%和15.28%。结果表明:随着B掺杂浓度的提高,石墨烯吸附多层Au原子体系的赝能隙变宽,吸附能增加,结构稳定性得到提升;B原子与Au原子间杂化作用明显,具有较高的电荷密度和电荷转移量,可有效地降低石墨烯与多层Au原子间的接触电阻;但掺杂浓度为15.28%时,由于浓度过高吸附模型中石墨烯几何结构变形过大。     

Li在石墨烯表面吸附与迁移的第一性原理研究

本工作研究了Li在石墨烯表面的吸附和迁移行为。基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,计算了Li在本征石墨烯表面的吸附特性和迁移行为以及石墨烯吸附Li前后的能带结构、态密度、电荷转移、差分电荷密度。Li在4×4石墨烯表面的扩散能垒为0.336 eV,其在C6环芯位的吸附能为1.569 eV,电荷转移量为0.870 7e,Li原子的2p轨道和C原子的2p轨道出现杂化。Li主要通过跨越C-C键桥位而在相邻C_6环芯位间实现平行于石墨烯表面的连续扩散,Li原子在石墨烯表面的最稳定吸附位为C_6环芯位,吸附Li后的石墨烯+Li体系显示出金属性,且Li与石墨烯间同时存在离子键和共价键。     

石墨烯负载Pdn(n=1—3)原子/团簇吸附三氯甲烷分子的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了三氯甲烷(CHCl₃)分子在负载Pd_n(n=1—3)原子/团簇的石墨烯表面的吸附行为。研究表明,CHCl₃分子与本征石墨烯(PG)之间仅为物理吸附,而采用Pd原子/团簇对本征石墨烯进行修饰,可以提高CHCl₃分子与石墨烯之间的吸附性能,使得CHCl₃分子与负载Pd_n(n=1—3)的石墨烯(PG-Pd_n(n=1—3))之间形成稳定的化学吸附。在PG-Pd_n(n=1—3)三种吸附体系中,吸附能计算表明Pd₃团簇修饰的石墨烯基底对CHCl₃分子的吸附效果最好,电荷转移分析表明CHCl₃分子向PG-Pd₃转移了大量电荷,电荷密度计算证实CHCl₃分子与PG-Pd₃之间形成了稳定的化学吸附。CHCl₃分子吸附在PG-Pd_3<...     

Nb-Si-N纳米复合薄膜表面吸附与迁移的第一性原理研究

针对Nb-Si-N纳米复合薄膜在沉积过程中各原子的成核过程和生长取向,采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理超软赝势平面波计算方法分别计算了Nb、Si、N各单原子在NbN(001)表面6个对称位的吸附作用和迁移过程。吸附作用的计算获得各原子的势能面,其中Nb在NbN(001)表面最低能量位置为HL位,N、Si最低能量位置处于HL位与TopN位之间。势能面计算结果确定各单原子在NbN(001)表面迁移的路径分别为,Nb原子和Si原子均为从TopN位置迁移到HL位置;N原子分别从TopNb位置和TopN-HL位置迁移到HL位置。Nb、Si、N各单原子在NbN(001)表面迁移激活能分别为0.32,0.69和1.32eV。     

电场作用下扶手椅型石墨烯纳米带的第一原理计算

本文采用密度泛函理论,研究了边缘氧化扶手椅型石墨烯纳米带(AGNRs)的电子结构和相对稳定性.结果表明,边缘氧化的AGNRs要比边缘氢化的纳米带稳定.由于氧原子比碳原子具有较大的电负性,边缘氧化AG-NRs表现出金属性能带结构.此外,氧饱和AGNRs比氢饱和AGNRs对电场作用更为敏感,这将有助于在带隙工程中实现其电子结构剪裁.     

金原子修饰的石墨烯片对半胱氨酸的响应机理的第一性原理研究

使用密度泛函理论研究了本征石墨烯和经过金原子修饰的石墨烯吸附半胱氨酸的构型和电子性质.对比本征石墨烯,修饰金原子后的石墨烯与半胱氨酸之间有较强的结合能力和较短的连接距离,发生的是化学吸附.态密度的计算结果也显示半胱氨酸与金修饰后的石墨烯轨道之间存在显著的杂化现象,而本征石墨烯轨道杂化现象不明显.本征石墨烯与半胱氨酸发生的是物理吸附.预测相比于本征石墨烯,金修饰后的石墨烯是一种潜在的、更高灵敏度的半胱氨酸检测材料.     

4d过渡金属掺杂石墨烯对HCN吸附行为的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论方法研究了掺杂Y、Zr、Nb、Mo、Tc和Ru的石墨烯体系对氰化氢(HCN)的吸附作用。首先考察了HCN分子中H、C或N原子分别靠近吸附点的三种吸附构型。然后比较了吸附HCN前后掺杂石墨烯的能带变化。研究结果表明,掺杂Mo和Ru的石墨烯吸附HCN后的带隙大小变化大于20%,并表现为半导体行为,说明吸附后掺杂石墨烯的电导性能受影响较大。此外,进一步研究了掺杂Mo和Ru的石墨烯吸附HCN的过程,讨论了吸附能、带隙、晶格常数、HCN电荷和键长的变化,并分析了掺杂Mo和Ru的石墨烯的振动特性。研究表明,掺杂Mo和Ru的石墨烯对HCN的吸附非常敏感,这可能是开发HCN传感器的有用材料。     

Sn掺杂钙钛矿BaTiO3电子结构的第一原理研究：Ba（SnxTi1-x）O3

采用基于密度泛函理论（DFT）的全势线性缀加平面波（FPLAPW）方法,对Sn掺杂钙钛矿BaTiO3电子结构进行了第一性原理研究,构造了3个不同的超胞,分别为1×2×2、1×1×3和1×1×2,即：分别由4个、3个和2个单胞组成的超胞。研究表明：当X≤0．33时,随着X值的增大,相应的费米面会向Sn掺杂BaTiO3导带的更高的能量处移动,以适应掺杂电子数目的增多,其态密度的演化可以用一个严格的带状模型来描述,所以,掺入BaTiO3体系的每一个电子都对体系的导电过程有贡献,从而使其室温介电常数大幅度提高,介电损失相对减小。复合材料的态密度的重新分布主要是由O—P与所掺入的Sn混合后的杂化而引起的。     

甲醛在TiO2表面吸附的第一性原理研究

利用密度泛函理论研究了HCHO分子在TiO2金红石(110)面和锐钛矿(101)面上的吸附,结果表明甲醛在这些面上均能形成稳定的化学吸附与物理吸附。在物理吸附中,分子构型受吸附的影响均十分微弱。而在化学吸附中,甲醛分子明显变形,甲醛分子与表面的2配位O原子(O2C)一起形成双氧甲基(CH2O2)物种。化学吸附导致HCHO分子中的羰基延长14%~17%,表明吸附削弱了分子内原子之间的作用,从而有利于分解。此外,在这两种表面中,金红石(110)面对HCHO较强的吸附显示了其活性比锐钛矿(101)面高。     

CoSb2结构5d过渡金属二氮化物力学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论平面波赝势的第一性原理方法,对具有CoSb2结构5d过渡金属二氮化物TMN2(TM=Hf、Ta、w、Re、Os、Ir、Pt、Au)的晶格常数、电子结构和力学性能进行了计算.计算结果表明,对于该结构的二氮化物,除AuN2外,均同时满足热力学和机械稳定性标准;其中OsN2具有最高的体弹性模量和剪切模量分别为418和257GPa;态密度分析表明,过渡金属原子的5d轨道与氮原子的2p轨道之间发生了强烈的杂化现象,二者之间形成了较强共价键.     

第一性原理方法探讨氮气在UO2(111)表面的吸附行为

采用第一性原理计算模拟方法对氮气分子及原子在UO2(111)表面的吸附行为进行了系统的研究。计算结果表明,N2在UO2(111)表面倾向于以分子吸附的形式存在,其最稳定的吸附构型为分子中心位于氧原子顶部或三重洞位的情形。两种构型下的N-N键的两端均指向相邻的另外两个高对称吸附位置。对于氮原子的表面吸附,发现其位于第二子层的铀原子的上方时最为稳定,吸附能为-4.792eV,为较强的化学吸附。而对次表面吸附的考察发现,氮原子嵌入最外氧原子层时的稳定性高于表面上吸附的情形。态密度分析表明,对于氮原子吸附,N 2p与U 5f电子态在费米能级附近有非常明显的轨道杂化,表明氮原子主要与铀原子发生了化学作用,N-U键存在共价成分。     

基于机器学习训练金属离子吸附能预测模型的研究

本研究通过密度泛函理论对氧化石墨烯和金属离子的吸附行为进行理论模拟。基于机器学习方法训练预测模型的过程中,缺失值采用推荐系统中广泛使用的奇异值分解方法处理,并用梯度提升机解释了影响吸附能的重要因素。结果发现吸附体系中存在九种特征可为吸附能提供90%的累积重要性,分别为离子半径、零点振动能量、密立根电荷、沸点、偶极矩、原子量、摩尔定容热容、自旋多重度和键长。定量评估了六种回归方法的预测精度,包括支持向量回归、岭回归、随机森林、极端随机森林、极端梯度提升和轻梯度提升机。结果表明,机器学习方法可提供足够的吸附能预测准确性,其中极端随机森林方法表现出最优的预测性能,均方误差仅为0.075。该模型用于香兰素吸附金属离子的测试,验证了基于机器学习训练金属离子吸附能预测模型的可行性,但仍需进一步提高其泛化能力。本研究基于机器学习预测吸附能,简化预测过程、节省计算时间,可为吸附去除金属离子的理论和实验研究提供参考。     

用密度泛函理论研究汞在CeO_2(111)表面的吸附

采用密度泛函理论计算了Hg、HgCl、HgCl_2在CeO_2(111)表面的吸附构型、吸附能和态密度。结果表明,Hg在CeO_2(111)表面属于弱化学吸附。HgCl与CeO_2(111)表面为强化学吸附,是反应的重要中间体。HgCl_2在CeO_2(111)表面是物理吸附,易发生解离,脱除。氯对于汞的吸附和氧化产生较强的影响,这与实验结果相一致。基于计算结果,得到汞在CeO_2(111)表面的反应机理。     

清洗工艺对变压吸附制氧的影响

通过一套小型两塔变压吸附制氧实验装置,研究了小流量连续清洗与大流量瞬间清洗两种不同清洗工艺对变压吸附制氧性能的影响。实验结果表明,在保持产氧量相同的情况下,分别采用两种清洗工艺均可大幅提高产氧浓度,得到最高约91%的产品氧气浓度,产氧浓度对大流量瞬间清洗时间的变化更为敏感;而同时采用两种清洗工艺时,最高产氧浓度可达93%以上。     

氧化石墨烯吸附水体中酚类有机污染物的分子动力学模拟

研究采用分子动力学模拟(Molecular dynamics simulation, MD)的方法, 以苯酚、α-萘酚和4-辛基酚为代表, 研究了酚类有机污染物(Phenolic Organic Pollutants, POPs)在氧化石墨烯(Graphene Oxide, GO)上单独和竞争吸附过程。通过自由能计算得到三种POPs在GO表面的吸附能分别为: 4-辛基酚(41.34 kJ/mol)>α-萘酚(33.23 kJ/mol)>苯酚(19.31 kJ/mol)。吸附过程中的主要作用力为POPs的疏水作用, 而分子团簇、范德华相互作用、静电相互作用以及氢键等在一定程度上增加了GO对POPs的吸附能力。在混合体系中, POPs之间存在明显的竞争吸附现象, 吸附过程包含了直接吸附和形成分子团簇的间接性吸附两个过程。本研究结果为含POPs水体的治理以及GO材料的设计和筛选提供了一定的理论依据。