金属原子簇与完整及缺陷石墨烯相互作用的理论研究

论文摘要

石墨烯是一种重要的碳基材料,具有极高的比表面积和极好的化学稳定性,在用作金属催化剂载体方面有较大的潜在价值。为深入了解金属与石墨烯材料的相互作用情况,本论文使用密度泛函理论结合周期平板模型研究了金属单原子及其团簇在完整及缺陷石墨烯上吸附时的稳定构型、结合能、成键方式、电子结构等。主要研究内容及相关结论如下：一、研究了铜族金属单原子和双原子簇与完整及N掺杂石墨烯的结合情况。通过相关计算结果的分析,我们总结出IB族金属单原子和双原子簇与完整及N掺杂石墨烯的相互作用规律如下：两者与PG和NG1的结合能力均比较差,只是物理吸附或者很弱的化学吸附；在四种考察的石墨烯衬底上,相应结合能力由大到小依次为Cu>Au>Ag;两者与衬底结合时,与衬底间的电子转移方向刚好相反；铜原子能和衬底空位处有悬挂键的三原子成键,银原子只在以单原子形式吸附时与空位处三原子成键,金原子在所考察的所有情况下都只与有悬挂键的两个碳原子成键。二、探讨了各种氮掺杂浓度下,氮原子在石墨烯衬底中的分布情况,随后研究了Pt原子在不同浓度氮掺杂石墨烯上吸附时的稳定吸附构型,并分析了氮掺杂促使Pt原子与衬底结合作用增强的原因。结果表明,氮掺杂石墨烯中的掺杂原子倾向于呈对位分布于衬底中,且掺杂浓度在3/32以下的掺杂相对比较容易实现,孤立Pt原子在所有考察到的衬底上均呈C-C桥位吸附,Pt6s轨道与C2p轨道成键作用增强是Pt原子在氮掺杂石墨烯上结合能力增强的主要原因。三、比较了PTn（n=1-3）团簇分子在完整及高浓度氮掺杂石墨烯衬底上的吸附情况,主要关注于各种可能的吸附构型以及相应的结合能变化。经过对计算结果的比较和综合分析,发现高浓度氮掺杂依然对石墨烯吸附铂金属小团簇具有较好的增强作用。另外,氮原子取代石墨烯衬底中的部分碳原子后,可以有效抑制铂在石墨烯表面的迁移成簇。观察最稳吸附构型发现,PTn（n=1-3）团簇分子倾向于以竖直方式与高浓度氮掺杂石墨烯衬底结合。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 石墨烯的背景介绍及研究概况
• 1.1.1 石墨烯的结构特性及应用
• 1.1.2 石墨烯的制备
• 1.1.3 石墨烯的表征
• 1.2 缺陷和改性石墨烯的研究进展
• 1.2.1 缺陷石墨烯的研究概况
• 1.2.2 改性石墨烯的研究概况
• 1.3 氮掺杂石墨烯的研究现状
• 1.3.1 氮掺杂石墨烯的结构及特性
• 1.3.2 氮掺杂石墨烯的潜在应用
• 1.4 计算模型和方法的确立
• 1.5 本文的研究目的及主要内容
• 第二章 铜族金属与完整及氮掺杂石墨烯的相互作用
• 2.1 引言
• 2.2 模型和计算方法
• 2.3 结果和讨论
• 2.3.1 石墨烯衬底的电子结构
• 2.3.2 铜族金属单原子及双原子簇与衬底的作用
• 2.3.3 Mulliken电荷布居分析及金属原子与衬底成键作用分析
• 2.4. 本章小结
• 第三章 氮掺杂浓度对石墨烯结构及性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 模型和计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 掺杂氮原子的分布
• 3.3.2 电子结构分析
• 3.3.3 Pt原子与氮掺杂石墨烯的相互作用
• 3.4 本章小结
• n（n=1～3）簇与完整及高浓度氮掺杂石墨烯的相互作用研究'>第四章 Pt_n（n=1～3）簇与完整及高浓度氮掺杂石墨烯的相互作用研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型和方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 孤立Pt原子在完整及高浓度氮掺杂石墨烯上的吸附
• 4.3.2 Pt双原子簇在完整及高浓度氮掺杂石墨烯上的吸附
• 3原子簇在完整及高浓度氮掺杂石墨烯上的吸附'>4.3.3 Pt₃原子簇在完整及高浓度氮掺杂石墨烯上的吸附
• 4.3.4 吸附最稳构型的电子结构分析
• 4.4 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在读期间已发表和录用的论文
• 参加的科研项目