甲醛在本征和Al摻雜石墨烯表面的吸附研究

甲醛在本征和摻雜石墨烯表面的吸附討論段穎妮摘要:本文采納基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,討論甲醛分子在本征石墨烯、鋁摻雜的石墨烯、鋁摻雜的單空位石墨烯和鋁摻雜的雙空位石墨烯上的吸附特性。

討論表明:相對(duì)于本征石墨烯,給石墨烯中摻雜鋁會(huì)增大基底對(duì)甲醛的吸附力量。

鋁摻雜的石墨烯和鋁摻雜的單空位石墨烯對(duì)甲醛分子吸附具有很高的敏感性。

-3軌道和-2軌道之間較強(qiáng)的軌道雜化,是導(dǎo)致甲醛在上吸附穩(wěn)定性高的緣由。

以上結(jié)論為設(shè)計(jì)新型甲醛氣體傳感材料供應(yīng)理論參考。

:甲醛吸附摻雜石墨烯密度泛函理論由于甲醛對(duì)人體健康的危害具有長期性、埋伏性、隱藏性,因此對(duì)環(huán)境中甲醛的精確?????和準(zhǔn)時(shí)檢測(cè)引起了越來越多的關(guān)注。

研制具有穩(wěn)定性高、靈敏度高、精確度高、響應(yīng)速度快、互換性能好的新型甲醛氣體傳感器迫在眉睫。

而傳感材料對(duì)傳感器的性能起著至關(guān)重要的作用。

等[1]使用密度泛函理論討論了在本征石墨烯和摻雜石墨烯上的吸附,發(fā)覺在吸附過程中,從摻雜石墨烯到的電荷轉(zhuǎn)移為本征石墨烯到的4倍。

王明廣等[2]討論了甲醛在本征和錳摻雜石墨烯上的吸附行為,發(fā)覺錳摻雜增加了甲醛在基底上的吸附穩(wěn)定性。

等[3]討論了2、、、等有毒氣體在摻雜石墨烯上的吸附,發(fā)覺摻雜后的石墨烯對(duì)這幾種氣體具有選擇吸附性。

以上討論表明通過摻雜可以有效改善石墨烯對(duì)有毒氣體的氣敏特性和選擇吸附性。

本文采納基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法討論了摻雜對(duì)石墨烯吸附甲醛的影響。

計(jì)算結(jié)果表明,相對(duì)于本征石墨烯,給石墨烯中摻雜會(huì)增大基底對(duì)甲醛的吸附力量。

摻雜的石墨烯和摻雜的單空位石墨烯對(duì)甲醛分子吸附具有很高的敏感性。

1計(jì)算方法和模型本文采納軟件包開展理論計(jì)算,采納投影綴加波來描述贗勢(shì)[4]。

采納共軛梯度方法優(yōu)化波函數(shù),交換關(guān)聯(lián)勢(shì)是--形式的廣義梯度近似[5]。

采納-方法進(jìn)行總能收斂計(jì)算,平面波基的截?cái)嗄苋?00。

在進(jìn)行布里淵區(qū)數(shù)值積分計(jì)算時(shí)采納-方法[6],點(diǎn)積分網(wǎng)格為551。

能量小于10-5,時(shí)計(jì)算收斂。

真空層為20。

甲醛分子在石墨烯基底上的吸附能,為石墨烯基底的總能量;為甲醛分子的總能量;+為吸附體系的總能量。

本文討論了甲醛在以下四種石墨烯基底上的吸附:本征石墨烯,、鋁摻雜的石墨烯-,、鋁摻雜的單空位石墨烯-,、鋁摻雜的雙空位石墨烯-,。

差分電荷密度的計(jì)算公式為,為差分電荷密度,為吸附體系的電荷密度,為吸附體系中石墨烯基底的電荷密度,為吸附體系中甲醛分子的電荷密度。

2計(jì)算結(jié)果和爭(zhēng)論在建立甲醛吸附石墨烯初始結(jié)構(gòu)模型時(shí),在充分考慮甲醛分子結(jié)構(gòu)和吸附角度基礎(chǔ)上,建立多個(gè)初始結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

同類型基底吸附結(jié)構(gòu)中,總能量計(jì)算能量最低的為最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

圖1為甲醛在本征石墨烯、鋁摻雜的石墨烯、鋁摻雜的單空位石墨烯和鋁摻雜的雙空位石墨烯上吸附的優(yōu)化后結(jié)構(gòu)圖。

表1中的物理量表示甲醛分子吸附在不同石墨烯基底結(jié)構(gòu)上的吸附能、Δ表示從基底向吸附甲醛分子的電荷轉(zhuǎn)移數(shù)、-表示甲醛中原子與基底中鋁原子之間的鍵長、-表示甲醛中碳原子與氧原子之間的鍵長、和表示石墨烯基底吸附甲醛分子前后的磁矩。

從圖1中可以看出,甲醛分子平面幾乎與石墨烯平面相平行,。

分子與石墨烯之間的間距較大,說明甲醛分子與石墨烯之間相互作用較弱。

同時(shí),從表1中數(shù)據(jù)可知,,,吸附前后體系的磁矩均為0μ,吸附體系中甲醛分子中的-鍵長與孤立分子中的鍵長全都,說明甲醛分子在本征石墨烯表面的吸附并未明顯轉(zhuǎn)變石墨烯表面的電子結(jié)構(gòu),其在本征石墨烯上的吸附是結(jié)合較弱的物理吸附。

因此,甲醛分子也因結(jié)合較弱很簡(jiǎn)單從石墨烯表面脫吸附。

以上數(shù)據(jù)和分析表明本征石墨烯基本上探測(cè)不到吸附的甲醛氣體分子。

從圖1中可以看出,甲醛分子在上吸附時(shí),由于原子的摻雜,縮短了甲醛與基底之間的距離,-,吸附分子與基底之間的結(jié)合增加。

與本征石墨烯相比,原子的摻雜顯著增大了吸附能,。

。

大的吸附能和較多的電荷轉(zhuǎn)移說明甲醛與之間為相互作用較強(qiáng)的化學(xué)吸附。

同時(shí),摻雜的吸附結(jié)構(gòu),相對(duì)于未摻雜時(shí)的吸附結(jié)構(gòu),甲醛分子中的-。

說明摻雜會(huì)使甲醛分子內(nèi)部原子之間的相互作用有所減弱,符合催化劑的催化機(jī)理。

從體系磁矩來看,吸附前基底磁矩為0μ,吸附后磁距明顯增大,。

說明,摻雜會(huì)增加石墨烯基底和甲醛之間的相互作用,基底在甲醛分子吸附前后磁矩發(fā)生明顯變化。

從圖1和圖中可以看出,甲醛在上的吸附距離明顯小于在上的吸附距離。

甲醛在上的吸附為化學(xué)吸附,,。

吸附甲醛后,。

甲醛在上吸附時(shí),由于基底存在兩個(gè)空位,所以甲醛分子在基底上的吸附不僅受到摻雜原子的影響,也受到雙空位的明顯影響。

,。

大的吸附能和電荷轉(zhuǎn)移證明白甲醛分子與之間的結(jié)合為相互作用較強(qiáng)的化學(xué)吸附。

但吸附前后基底的磁矩幾乎沒有變化。

為更直觀的了解電荷轉(zhuǎn)移狀況,計(jì)算并繪制了四種最穩(wěn)定吸附結(jié)構(gòu)的差分電荷密度圖,如圖2所示。

差分電荷密度分析表明,在甲醛吸附的、甲醛吸附的、甲醛吸附的三種吸附體系中,電荷都是由基底向甲醛分子遷移。

甲醛分子在基底上吸附后,在結(jié)合處可以自發(fā)的產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移,形成電子-空穴對(duì)。

明顯的電荷轉(zhuǎn)移說明甲醛分子與基底之間存在著較強(qiáng)的相互作用。

而甲醛吸附的本征石墨烯體系中,只有在取更小的等值面時(shí)才可以看到電荷轉(zhuǎn)移,說明該復(fù)合結(jié)構(gòu)中電荷遷移很少,甲醛分子與本征石墨烯之間的相互作用很弱。

本文進(jìn)一步計(jì)算了基底吸附甲醛分子前后的態(tài)密度,如圖3所示。

從圖中可以看出,吸附甲醛分子前后,曲線上下對(duì)稱,說明吸附前后體系均不具備磁性,吸附甲醛分子前后,體系也基本不具備磁性。

吸附甲醛分子前自旋向上和自旋向下對(duì)稱,不具備磁性,但吸附甲醛分子后在費(fèi)米能級(jí)處自旋向上態(tài)密度明顯增高,吸附使體系消失磁性,吸附甲醛分子后,。

體系具有磁性,吸附甲醛分子使費(fèi)米能級(jí)處自旋向上態(tài)密度明顯增加,。

以上分析和磁矩計(jì)算結(jié)果全都。

費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度對(duì)體系的導(dǎo)電性影響比較大。

從圖中可以看出,和兩種基底吸附甲醛分子后費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度明顯增高,電導(dǎo)特性明顯轉(zhuǎn)變,結(jié)合吸附前后體系磁矩消失的明顯變化,表明對(duì)和兩種基底對(duì)甲醛分子吸附具有很高的敏感性。

為了進(jìn)一步討論甲醛分子在和兩種基底上吸附的電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及摻雜對(duì)吸附的影響,計(jì)算了甲醛分子吸附在和上的投影態(tài)密度,如圖4所示。

從圖4中可以看出,圖3,在甲醛吸附中,原子和原子起到關(guān)鍵作用。

從圖4中可以看出,圖3,原子吸附過程中起到關(guān)鍵作用。

3結(jié)語本文采納基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,討論了甲醛分子在本征石墨烯、鋁摻雜的石墨烯、鋁摻雜的單空位石墨烯和鋁摻雜的雙空位石墨烯上的吸附特性。

得到以下結(jié)論:相對(duì)于本征石墨烯,給石墨烯中摻雜鋁會(huì)增大基底對(duì)甲醛的吸附力量。

鋁摻雜的石墨烯和鋁摻雜的單空位石墨烯吸附甲醛分子后費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度明顯增高,電導(dǎo)特性明顯轉(zhuǎn)變,吸附前后體系磁矩明顯增大。

這兩種基底對(duì)甲醛分子吸附具有很高的敏感性。

態(tài)密度分析表明:-3軌道和-2軌道之間較強(qiáng)的軌道雜化,是導(dǎo)致甲醛在上吸附穩(wěn)定性高的緣由。

可見,摻雜原子增加了甲醛分子與石墨烯基底之間的相互作用。

以上結(jié)論為設(shè)計(jì)新型甲醛氣體傳感材料供應(yīng)理論參考。

[1],-:[].,2023,46:1