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掺杂石墨烯吸附H_2、CO的第一性原理研究

王琳琳  
【摘要】:石墨烯是一种具有蜂窝状平面结构的二维材料,其优异的电学特性、良好的机械性能以及透光性都吸引了科学界的广泛关注。本征石墨烯是零带隙半导体,呈现出半金属的状态。通过物理及化学手段可以打开石墨烯的带隙,使其应用更加广泛,尤其是在气敏传感器方面。近年来,提升材料的气敏性能在传感器的发展中起到了关键的作用。本文基于密度泛函理论的第一性原理方法,通过在本征石墨烯中引入掺杂来研究掺杂石墨烯对氢气和一氧化碳吸附的情况,主要工作如下:首先,简要概述了气敏传感器的主要特性、分类情况以及发展趋势,重点介绍了二维材料石墨烯的特征性能。其次,介绍了第一性原理的理论基础以及石墨烯的建模方法,在本征石墨烯的基础上构建单掺B、P、Pd和Pt四种掺杂石墨烯结构,通过优化得到四种掺杂体系最稳定的结构,并从形成能、能带结构、电荷密度、态密度等结果对比得出:四种掺杂体系的形成能均为负,因此四种掺杂体系均是稳定的。掺杂贵金属Pd/Pt打开的带隙大于掺杂B/P,说明了单掺Pd/Pt的效果优于单掺B/P。然后,建立了氢气和一氧化碳分子的模型,先对本征石墨烯吸附H_2和CO的情况进行研究。计算结果表明,本征石墨烯对氢气和一氧化碳的吸附较弱,属于物理吸附。再对单掺B、P、Pd、Pt的石墨烯体系吸附氢气和一氧化碳的情况进行对比,通过第一性原理计算得出:掺杂后的石墨烯对H_2和CO有着更强的吸附效果。从吸附结构的变化程度来看,单掺B/Pt的石墨烯在吸附气体分子时有更强的稳定性;从吸附能、电荷密度、能带结构以及态密度图来看,单掺Pd/Pt的石墨烯对两种气体有更好的吸附效果。最后,在前文研究的基础上,构建两种双原子掺杂石墨烯模型:掺Pt、B石墨烯和掺双Pt石墨烯。研究两种双原子掺杂石墨烯吸附H_2和CO的情况,通过计算其吸附能、电荷密度、能带结构以及态密度并与前文单掺石墨烯的结果对比得出:对于吸附H_2,掺Pt、B石墨烯和单掺Pt石墨烯的吸附效果更好;对于CO,掺双Pt石墨烯以及掺Pt、B石墨烯的吸附效果更好。采用第一性原理的计算方法,研究了掺杂石墨烯对氢气和一氧化碳吸附特性的影响,为改善石墨烯对氢气和一氧化碳的吸附情况提供了理论支持,也为后续石墨烯对其他气体的吸附研究打下了基础。


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