Li在石墨烯、BC_3及C_3N表面吸附与迁移的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了Li在本征石墨烯及BC3、C3N表面的吸附和迁移行为。与本征石墨烯相比,硼掺杂浓度为25%(原子分数)时提高了Li的吸附能,而氮掺杂浓度为25%(原子分数)时减弱了Li的吸附能,这归因于掺杂物种具有不同的电子结构。通过NEB方法计算了Li在本征石墨烯、BC3、C3N表面的迁移,结果表明,相比于本征石墨烯,硼掺杂浓度为25%(原子分数)的石墨烯减弱了Li的扩散,而氮掺杂浓度为25%(原子分数)的石墨烯促进了Li的扩散。     

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、BC5及C5N表面吸附与迁移的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了Li在本征石墨烯及BC₅、C₅N表面的吸附和迁移行为。与本征石墨烯相比,硼含量为16.67%(原子分数,下同)的石墨烯提高了Li的吸附能,而氮含量为16.67%的石墨烯降低了Li的吸附能,这归因于掺杂物种具有不同的电子结构。通过NEB(Nudged elastic band)方法计算了Li在本征石墨烯、BC₅、C₅N表面的迁移。结果表明,相比于本征石墨烯,硼含量为16.67%的石墨烯抑制了Li的扩散,而氮含量为16.67%的石墨烯促进了Li的扩散,有助于提高石墨烯负极材料的充放电性能。     

硝酸掺杂对Li在石墨烯表面吸附,迁移行为影响的第一性原理研究

为了研究硝酸掺杂对Li吸附在石墨烯表面的影响,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了Li在本征石墨烯表面及硝酸掺杂的石墨烯表面的吸附性质、电学性质及迁移行为。结果表明,硝酸掺杂后,Li原子在石墨烯表面的最稳定吸附由H位变为B位;硝酸处理使Li原子在石墨烯表面吸附更稳定,在H位、B位、T位吸附的吸附能分别增大了2.176,2.816,2.747eV。Li原子吸附在NO_3~--石墨烯体系表面后,存在3方面的电荷转移:Li→石墨烯,石墨烯→NO_3~-,Li→NO_3~-;Li原子在NO_3~--石墨烯体系表面的吸附既有N型掺杂,也有P型掺杂。硝酸掺杂降低了Li原子在石墨烯表面的迁移激活能,使Li原子在NO_3~--石墨烯表面更容易迁移。     

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。     

SW缺陷石墨烯铝原子吸附能的第一性原理研究

基于密度泛函理论（DFT）和广义梯度近似（GGA）,对SW（Stone--Wales）陷石墨烯的结构和吸附能进行了研究,计算了石墨烯吸附Al原子前后的能带结构,态密度和吸附能,计算结果表明,掺杂SW缺陷有利于石墨烯和具有自由电子的金属原子的吸附结合,与未掺杂时对比,掺杂SW缺陷可显著提高石墨烯片的吸附能。     

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。     

Na在XC3(X=B,N,P)掺杂石墨烯表面吸附与扩散行为的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,对Na在本征石墨烯(PG)和掺杂单层石墨烯(BC_3、NC_3、PC_3)表面的吸附结构、电子性质和扩散行为进行了详细的理论计算。结果表明,由于磷掺杂体系(PC_3)P-C键剧烈变化,PG中原有的平面结构消失;而硼、氮掺杂(BC_3和NC_3)对PG结构的影响很小,B-C键和N-C键变化不显著,BC_3和NC_3仍然能维持PG的平面结构,并且没有正反面之分。电子结构计算表明,PG、BC_3和NC_3体系分别呈现半金属、p型掺杂和n型掺杂特征,而PC_3表现出金属性;然而,在Na吸附后所有的材料都表现出金属性。进一步的吸附能计算发现磷、硼掺杂(PC_3和BC_3)能够有效改善石墨烯的储Na容量,从扩散机制的研究发现,Na在PC_3掺杂体系表面的扩散能垒较小,仅为0.081 5 eV,有利于Na在PC_3掺杂石墨烯表面的传输和扩散,是一种潜在的钠离子电池负极材料。     

基于第一性原理的Fe掺杂锐钛矿型TiO2(001)表面光催化性研究

基于密度泛函理论的第一性原理对不同掺杂方式和不同含Fe量的Fe/TiO_2(001)禁带宽度及C6H6分子在其表面不同位置的吸附能进行了研究。Fe原子掺杂纳米TiO_2的能带结构和态密度计算表明,表面间隙掺杂比替位掺杂更利于减小TiO_2的禁带宽度,且当掺杂浓度为6.122%时,相比纯TiO_2的禁带宽度减小幅度最大可达59.3%。通过吸附能的比较得出了苯分子在TiO_2(001)表面以水平吸附为主,在研究浓度范围内,随Fe原子掺杂浓度的增加,吸附能并不像带隙一样呈减小的趋势,而是当Fe原子掺杂浓度为4.167%时,吸附能的涨幅最大为63.2%。     

Li、N共掺杂实现P型ZnO的机理探讨

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法计算了本征ZnO、N掺杂、Li掺杂以及Li、N共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度和差分电荷分布。计算结果表明:N掺杂的受主能级局域性较强,导致N溶解度较低,Li替位原子受主能级较浅,但是会受到Li间隙原子的补偿。Li、N共同掺入时,NO-LiZn复合受主结构并不是ZnO的主要P型来源,NO受主可以与间隙原子Lii形成NO-Lii结构,该结构可促进N的掺入,并抑制Lii施主的补偿效应,因而对实现ZnO的P型非常有利。     

三维石墨烯基B-N-Fe/Co-G材料的制备及其氧还原催化性能研究

采用脲、硼酸、硝酸铁、硝酸钴分别作为N、B、Fe、Co源,与GO(氧化石墨烯)通过快速冷冻干燥与热解法,制得了三维石墨烯基B-N-Fe/Co-G催化材料,并对其结构和性能进行了测试和表征,研究其氧还原的活性物质与活性点。透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射(XRD)及X射线光电子能谱(XPS)结果显示,所制得掺杂石墨烯表面褶皱呈三维孔洞结构,掺杂原子N、B、Fe、Co均匀掺杂于石墨烯中。通过循环伏安法(CV)、线性扫描伏安法(LSV)等手段对三维石墨烯基B-N-Fe/Co-G催化材料进行电化学性能测试,结果表明:B-N-Fe/Co-G在0.1 mol/L的 KOH碱性电解质中有较高的氧还原(ORR)催化活性,起始电位在1.0 V左右,为4电子转移,相比质量分数20%的商用Pt/C催化剂有更好的电化学稳定性。     

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。     

双层石墨烯掺杂Pd对CO和NO的气敏特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了AA堆叠型双层石墨烯掺杂Pd原子(Pd/BG)后对气体分子CO和NO的气敏特性和吸附机理.结果表明,Pd原子的掺杂改变了双层石墨烯的电子性质和局部几何结构.Pd原子替代双层石墨烯的一个碳原子后,杂质原子突出层外区域(Po)和突入层间区域(Pi)都可以形成稳定结构,但是突出(Po)构型更有利于气体分子的吸附.对于Po构型,CO和NO吸附在Pd/BG上的最稳定结构是不同的,CO分子与石墨烯表面呈一定夹角,而NO分子近似垂直于石墨烯表面.Pd/BG对NO分子的吸附强于CO分子.气体分子在Po构型上属于化学吸附,而在Pi构型上属于物理吸附.Pd/BG吸附CO和NO气体分子后具有不同的电子性质.Pd/BG体系为半导体性质,在吸附CO气体分子后,转变为金属性,系统无磁性;而在吸附NO气体分子后变为金属性且具有较大磁矩.这种电子性质的变化能够阐明气体分子吸附的敏感程度.研究结果能够为石墨烯基的气体传感器或者探测器提供理论基础和实验指导.     

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<...     

空位和Si掺杂对In在石墨烯上吸附的影响

利用第一性原理方法计算了空位和Si(硅)替位掺杂对In(钢)原子在石墨烯上吸附的影响.结果表明:在低覆盖度下,空位比Si替位掺杂更能增强In在石墨烯上的吸附,主要原因在于空位引入更多的悬挂键,加强了In和石墨烯之间相互作用.而对于较高覆盖度,Si替位掺杂却比空位对In吸附在石墨烯上的影响更强.无论是较高覆盖度还是低覆盖度,空位和Si替位掺杂均增强了In在石墨烯上的吸附.     

锰掺杂锯齿型石墨烯纳米带电磁学特性研究

基于密度泛函理论的第一性原理,计算了锰原子单空位掺杂锯齿型石墨烯纳米带6种不同位置时的电磁学特性。结果表明:锰原子掺杂石墨烯纳米带的能带结构对掺杂位置十分敏感。随着锰掺杂位置的变化,掺杂石墨烯纳米带分别表现出半导体性和金属性特征。锰原子掺杂石墨烯纳米带改变了原本的磁性特征,掺杂位置不同,结构磁性特点也不相同,掺杂位置在4号位置时,纳米带实现了由反铁磁态的锯齿型石墨烯纳米带向铁磁性的转化。锰原子掺杂锯齿型石墨烯纳米带可以调制其磁性和能带特性,为石墨烯纳米带在电磁学领域应用提供一定的理论依据。     

锰掺杂锯齿型石墨烯纳米带电磁学特性研究

基于密度泛函理论的第一性原理,计算了锰原子单空位掺杂锯齿型石墨烯纳米带6种不同位置时的电磁学特性。结果表明:锰原子掺杂石墨烯纳米带的能带结构对掺杂位置十分敏感。随着锰掺杂位置的变化,掺杂石墨烯纳米带分别表现出半导体性和金属性特征。锰原子掺杂石墨烯纳米带改变了原本的磁性特征,掺杂位置不同,结构磁性特点也不相同,掺杂位置在4号位置时,纳米带实现了由反铁磁态的锯齿型石墨烯纳米带向铁磁性的转化。锰原子掺杂锯齿型石墨烯纳米带可以调制其磁性和能带特性,为石墨烯纳米带在电磁学领域应用提供一定的理论依据。     

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.     

Cu掺杂SnO2(110)面对CO气敏机理的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了有毒气体CO在本征和Cu掺杂SnO_2(110)面不同原子位的吸附,通过对吸附能的比较得出了最佳吸附位置及吸附结构。计算结果表明,本征SnO_2(110)面对CO的吸附很弱。而对于Cu掺杂SnO_2的(110)面,掺杂浓度选2.7%和5.4%两组,分别用Sn_(15)CuO_(24)和Sn_(14)Cu_2O_(24)表示。通过比较本征和不同Cu掺杂浓度下SnO_2(110)面上CO的吸附能和电荷布居,发现Cu掺杂可显著提高CO的吸附性能,其中Cu掺杂浓度为5.4%的Sn_(14)Cu_2O_(24)表面的吸附活性位点增加,吸附效果最好。