Al掺杂BP烯对甲醛分子吸附的密度泛函理论

应用密度泛函理论研究了纯净黑磷烯(BP)和Al掺杂的BP烯对甲醛分子(CH2O)的吸附行为。通过建立纯净和Al掺杂BP烯吸附甲醛分子结构模型,计算了BP烯掺杂前后甲醛气体的吸附能、能隙、电荷转移、能带和态密度,其目的是研究使用BP烯作为传感材料来探测CH2O气体。结果表明,CH2O在BP上稳定的吸附位是定位,但在纯净和掺杂Al时吸附的取向不同。吸附能、电荷转移、能隙(即导电率)计算结构都表明Al掺杂提高了BP烯对甲醛的传感性,这主要是因为掺杂Al原子增强了BP烯和甲醛分子间的离子键相互作用。总之,研究结果表明BP烯可用于CH2O分子的检测,其在化学传感器领域有巨大应用潜力。     

掺杂Pt/Pd石墨烯体系的气体吸附性

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算分析了Pt/Pd 2种过渡金属元素掺杂的石墨烯吸附O2和CO体系的原子和电子结构,对本征石墨烯和掺杂后石墨烯体系吸附气体的吸附能、电荷转移、能带结构和电子态密度进行分析对比.由掺杂前后的结果分析发现,本征石墨烯吸附气体时的吸附能与电荷转移都较小,Pt/Pd原子的掺杂使吸附体系的吸附能和电荷转移显著增大.由于基态Pt原子核外电子d轨道未满,费米能级附近电子态密度较高,而Pd原子核外电子d轨道全满,掺杂Pt原子的石墨烯体系吸附能、电荷转移都比掺杂Pd原子的石墨烯体系大,掺杂Pt原子改善石墨烯气敏性能.     

稀土金属La吸附掺杂BN纳米管储氢性能的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了稀土金属La吸附掺杂对单壁BN纳米管储氢性能的影响.通过分析计算结果得到,稀土金属La可以稳定吸附到BN纳米管上,每个La原子最多可以吸附六个氢气分子,系统的储氢量能达到4.50wt%,平均结合能为0.223eV.根据态密度图分析可知,由于La的5d、6s轨道与BN纳米管中B、N原子的2p轨道发生杂化,使得La原子与其周围的原子发生了电荷转移,带正电的La原子将会极化吸附在其周围的氢气分子,使得更多的氢气分子聚集在其周围.本文的研究对于实验上合成高性能的BN纳米管储氢材料具有一定的指导意义.     

CO2和CO分子在五边形石墨烯表面的吸附行为

五边形石墨烯具有多种优秀的特性,其较大的比表面积和非直接带隙可能有利于气体分子的吸附. 本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,逐步研究了两种常见的气体分子CO₂和CO在五边形石墨烯表面的吸附行为. 根据五边形石墨烯的结构特点,以及CO₂和CO的分子形态,CO₂总共有四种吸附方式,而CO则有六种吸附方式. 通过计算吸附能、电荷转移、吸附距离、能带间隙、电荷密度和态密度、分波态密度等指标,探究这两种气体分子不同方式的吸附情况. 结果显示,气体分子的不同吸附方式对吸附行为有明显的影响. 而且在同种情况下,CO普遍比CO₂分子有更好地吸附效果. 但由于气体分子与基底之间未能形成化学键,CO₂和CO在五边形石墨烯表面的吸附是比较弱的物理吸附.     

Fe、Co、Ni掺杂磷烯的第一性原理研究

本文基于第一性原理研究了Fe、Co、Ni在P位吸附和掺杂磷烯的稳定性、能带结构、态密度以及差分电荷密度分布.结果表明:在吸附体系中,Co在P位的吸附的稳定性强于Fe、Ni吸附体系;在掺杂体系中,Fe、Co、Ni在P位掺杂的的稳定性较强的是Ni掺杂体系.Fe、Co、Ni在P位吸附磷烯,可以较好的调控能带结构,从而得到可控性能的半导体材料.在P位掺杂Fe、Co、Ni原子的带隙值分别为0.52、0.56和0.4eV.在Fe、Co、Ni掺杂位点上,近邻的两个磷原子周围出现了电子聚集的现象;原因在于Fe、Co、Ni的4s轨道上都有两电子,而非金属的磷原子较容易得到电子.     

磷烯吸附非金属单原子的物理特性研究

研究了磷烯表面吸附非金属原子C、N、O原子的基本物理特性,包括最稳定吸附位置、体系的几何结构和电荷转移情况等,并对计算结果进行了系统的分析.然后分析了磷烯吸附不同的原子后,其体系能带结构的变化和电子态密度随能量变化的规律.通过对磷烯体系的系统分析,发现原子吸附导致磷烯特性发生改变的主要原因是不同原子间的相互作用和各不相同的电子转移.这些理论结论可以为磷烯更深层次的研究提供有效的数据.     

Cu, Ag, Au掺杂磷烯的第一性原理研究

本文研究了Cu、Ag、Au在P位掺杂磷烯的几何结构、稳定性、能带结构和态密度,得到以下结果:几何结构畸变率最大的是Au原子掺杂的磷烯结构,但Cu掺杂磷烯结构的稳定性强于Ag、Au掺杂的磷烯体系;磷烯的能带结构可以通过掺杂Cu、Ag、Au金属原子进行调控;磷烯掺杂体系中都出现了两条杂质能级,一条施主能级和一条受主能级,杂质能级的出现增加了体系的导电能力.     

锑烯对O,OH,O2,OOH的吸附特性及氧还原反应的密度泛函理论研究

研究了锑烯对燃料电池阴极氧还原反应中间物O,OH,O_2,OOH的吸附特性,通过对吸附能、吸附距离、键长及能带、态密度、电荷转移的分析,比较了锑烯对各中间物的吸附作用,模拟了氧还原反应过程,给出了各步反应自由能变化的趋势图.结果表明:O,OH,O_2,OOH在锑烯上最稳定吸附位的吸附能分别为3.81,2.43,1.59,1.04 eV;锑烯上的氧还原反应过程存在四电子途径和二电子途径,且自由能逐渐降低,有自发进行的趋势;锑烯与OOH存在较强的相互作用,这对氧还原反应第一步OOH的吸附及第二步O—O键的断开是有利的,对OH适度的吸附作用也不会限制OH与H结合生成H_2O分子进而脱附的过程.以上结果表明,锑烯具有催化燃料电池阴极氧还原反应的潜力,这为实验上进一步探索锑烯作为氧还原反应电催化材料提供了理论参考.     

硅烯电极材料的第一性原理计算

用第一性原理计算硅烯在N和S原子共掺杂时的能带及电子态密度, 并研究硅烯量子电容与不同掺杂构型间的关系. 结果表明: 引入N/S和N/B共掺杂原子可导致Fermi能级处产生局域态; 在-0.6~0.6 V内, 用NSS,NS,NBB,NNB和NB掺杂硅烯的量子电容均增加, 其中NSS掺杂单空位硅烯在Fermi能级附近, 其量子电容为43.9 μF/cm2, 量子电容增加明显.     

Al掺杂对顺铂药物分子在石墨烯上吸附性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究纯石墨烯(PG)和Al掺杂修饰的石墨烯(AlG)对顺铂药物分子的吸附特性.结果表明:顺铂分子在PG上的吸附为物理吸附,在AlG上的吸附为化学吸附.在cis-Pt-PG复合结构中,顺铂与PG之间的电荷迁移很少;在cis-Pt-AlG复合结构中,Al掺杂增加了顺铂与基底之间的电荷转移,Pt-5d轨道和Al-3p轨道之间较强的轨道杂化是导致顺铂在AlG上吸附稳定性高的原因.由此可见,掺杂Al原子增强了顺铂分子与石墨烯基底之间的相互作用.本研究可为设计新型抗肿瘤药物载药材料提供理论参考.     

N/Fe共掺杂锐钛矿TiO_2(001)面协同作用的第一性原理研究

基于周期性密度泛函理论,本文研究了Fe在锐钛矿TiO2(001)面吸附、替位掺杂及晶隙掺杂,以及N在Fe/TiO2(001)稳定结构上的吸附及掺杂.讨论了不同掺杂后晶体稳定结构、形成能、能带结构及态密度的变化.为与表面氧空位进行对比,计算了氧空位存在下TiO2(001)面的能带结构.通过形成能的比较可以发现,Fe原子更倾向于掺杂在晶体(001)表面晶隙,N则倾向于吸附在Fe顶部,并形成稳定的N-Fe键.通过对电子结构的分析发现:稳定的N-Fe共吸附形式,使得TiO2呈现出金属性,有利于其催化氧化性能的提升.     

改性石墨烯HCN气敏特性的第一性原理研究

为了寻求高灵敏度的石墨烯基的HCN气体传感器,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统地研究了纯净石墨烯(PG)、单空位缺陷石墨烯(SVG)及14种元素Li、B、N、Mg、Al、S、Ca、Ti、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Pt替位掺杂石墨烯(XG)对HCN气体分子的吸附和气敏特性.研究结果表明,HCN分子和PG、BG、NG、SG间由于较小的吸附能和较大的吸附距离而隶属于较弱的物理吸附,且该分子的吸附未能引起费米能级附近态密度的变化,故上述基底对HCN分子吸附的敏感性差;单空位缺陷的引入尽管增大了基底与HCN分子间的结合,但分子吸附前后体系的电子结构几乎不变;HCN分子化学吸附于LiG、MgG、AlG、CaG、TiG、CrG、MnG、FeG、CoG、NiG和PtG.其中该分子的吸附导致LiG从金属过渡到半导体,MnG从半金属过渡到半导体,可见电导率明显减小,而其他基底仍旧保持原来的性质.因此,LiG和MnG更适合作为检测HCN分子的石墨烯基底.该研究将为设计新型石墨烯气体传感器提供理论参考.     

非金属掺杂对磷烯几何与电子结构的影响

研究了B,C,N,O和F在P位掺杂磷烯的几何结构变化、稳定性差异、能带结构和态密度.发现:B,C和N掺杂磷烯时,与近邻磷原子的键长都呈现出缩短的现象;O和F掺杂磷烯时,与一个近邻磷原子的键长呈现出增长的现象,增长率达到45%以上.B,C,N,O和F掺杂磷烯体系都有较好的稳定性.同时,磷烯的能带结构可以通过掺杂B,C,N,O和F等进行调控,而杂质能级的出现有利于磷烯体系电子导电性能的增强.C,N,O和F掺杂体系的态密度在费米能级处出现1个峰值,表明体系电学性能的增强.     

含氧空位锐钛矿表面的非金属杂质对其吸附NH_3特性的影响

【目的】金属氧化物光学气敏材料可用来灵敏检测环境气体成分及浓度,而对这一材料的掺杂是改善其光学气敏特性的一种重要途径。【方法】基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,模拟计算了含氧空位锐钛矿TiO_2(101)表面掺杂非金属C、N、F对NH_3分子吸附,对掺杂后锐钛矿TiO_2(101)表面结构的稳定性、NH_3分子吸附后表面结构的稳定性、态密度、电荷分布、差分电荷密度、光学性质给以理论分析。【结果】分析发现:非金属杂质C,N,F易掺杂于有氧空位的TiO_2(101)表面,且有基底的稳定性从大到小依次为C,N,F;杂质元素掺杂于基底表面提高了基底表面氧空位的氧化性,更有助于NH_3分子的吸附,且杂质元素对基底氧空位氧化性的贡献从小到大依次为C,N,F;通过态密度和光学性质分析,NH_3分子吸附在C和N掺杂于含氧空位TiO_2(101)基底表面相对于无掺杂含氧空位TiO_2(101)基底表面降低了材料在可见光范围内的利用率;而吸附在F元素掺杂于含氧空位TiO_2(101)基底表面对可见光范围内的利用率相对于吸附在无掺杂含氧空位TiO_2(101)基底表面的利用率提高了5倍。【结论】掺杂F元素显著的提高了材料的光学气敏传感能力。     

Cu/N共掺杂ZnS电子结构和光学性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征ZnS、N单掺杂、Cu-N共掺杂与Cu-2N共掺杂ZnS晶体的能带结构、电子态密度与光学性质.结果表明,Cu/N共掺杂体系降低了体系的带隙,增加了其光催化活性.对于Cu-2N掺杂,分析其态密度,发现共掺杂体系的总态密度在费米能级附近更加弥散,更多的态密度穿越费米能级,使共掺杂更容易获得p-型ZnS,同时费米能级附近的杂质态降低了跃迁能,使得共掺杂体系能有效提高其在可见光区的吸收系数.     

聚乙炔导电机理的量子化学研究

应用我们自己在分子轨道图形理论基础上建立起来的合重复单元共轭分子本征方程约化定理，研究聚乙炔在掺杂前后能带结构的变化情况，可以很自然地得到Ｐｅｉｅｒｌｓ相变的结果，揭示了聚乙炔掺杂后从绝缘体到金属态变化过程的内在机理。     

BN和AlN分子基态与低激发态的势能函数与热力学性质

用密度泛函理论B3LYP方法和6-311+G*基函数计算研究BN和AlN分子基态与低激发态的结构与势能函数,导出了分子的光谱数据.结果表明,BN和AlN分子基态均为X3Σ,基态与低激发态的势能函数均可用Murrell-Sorbie函数来表达.BN分子低激发态a1Σ的绝热激发能为78.85 kJ·mol-1,AlN分子低激发态a1Σ的绝热激发能为111.27 kJ·mol-1.计算固体BN和AlN的平衡能量E和熵S时,近似以气体分子的电子能和振动能代替固体分子的平衡能量E,用电子熵和振动熵代替固体分子的熵.在此近似下,计算得到BN和AlN基态与低激发态固态分子温度与平衡压力的关系式.     

煤表面吸附H_2S气体特性量子化学分析

为探究煤层中硫化氢的吸附性质,建立山西铁新含硫化氢煤表面分子模型,利用软件Gaussian09,通过密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-311G上计算煤表面分子与H2S、CO2、CH4、N2气体分子的吸附能.进一步模拟了硫化氢和甲烷混合气体共存条件下,二者的依存关系.结果表明:煤吸附硫化氢的吸附能为2.230 k J/mol,键长、键角均无变化,表明煤对硫化氢存在吸附,且为物理吸附;煤对四种气体吸附能力依次为CO2CH4N2H2S,硫化氢为弱吸附气体;硫化氢的存在促进煤对甲烷的吸附;煤对硫化氢和甲烷混合气体的吸附能大于煤对单个气体的吸附能.     

Fe掺杂石墨烯表面吸附Au:第一性原理

采用第一性原理对Au在Fe掺杂石墨烯表面的吸附特性进行研究,计算掺杂Fe前后石墨烯对Au的吸附能以及石墨烯的局部态密度和电荷分布。结果表明:掺杂Fe增强了Au在石墨烯表面的吸附能,提高了Au与石墨烯间的电荷转移。掺杂Fe后,Fe与Au间形成了共价键,Au与石墨烯间由物理吸附转变为化学吸附。此外,自旋极化计算结果显示Fe掺杂石墨烯-Au体系中自旋向上态密度和自旋向下态密度关于费米能级对称,说明Fe掺杂不会使体系产生磁矩而影响材料性能。此类掺杂有望改善石墨烯载Au纳米颗粒催化剂的催化性能。     

FTO薄膜电子结构和光学性质的PBE0方法研究

本文基于密度泛函理论(DFT)PBE0方法对本征SnO_2及SnO_2∶F电子结构及光学性质进行了理论计算,从理论上描述了光学性质与电子结构关系。计算结果表明,PBE0方法计算光学带隙最接近实验数值。在PBE0赝势下,计算了本征SnO_2及SnO_2∶F能带结构、电子态密度。掺杂后,体系局域态密度增加,费米能级穿越导带底部,F掺杂增强SnO_2的导电性。增加F掺杂浓度,体系等离子体频率降低,有利于降低FTO薄膜红外辐射率。F掺杂SnO_2后,介电函数谱发生红移。