【摘要】：石墨烯是本世紀(jì)最有前景的納米材料之一,由于其獨(dú)特的性質(zhì)而受到了廣泛的關(guān)注。然而,其獨(dú)特的性能和多樣的應(yīng)用依賴于石墨烯的質(zhì)量和厚度。因此,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量,大規(guī)模的可控合成迫在眉睫。目前,化學(xué)氣相沉積法(CVD)被認(rèn)為是最行之有效的合成石墨烯的方法。然而,CVD過(guò)程中石墨烯的生長(zhǎng)機(jī)理和各因素的影響的研究尚不充分。因此,在本研究中,利用第一性原理,研究以CH4作為碳源在金屬合金表面的分解機(jī)理和成核機(jī)制,為實(shí)驗(yàn)上石墨烯的可控合成提供了一定的理論基礎(chǔ)。論文的研究?jī)?nèi)容概括如下:1.石墨烯生長(zhǎng)初期CH4在Fe-Cu(100)表面解離的理論研究。通過(guò)密度泛函方法(DFT)計(jì)算和微觀動(dòng)力學(xué)模型,系統(tǒng)地研究了CH4在Fe摻雜的Cu(100)表面上解離和碳成核過(guò)程的機(jī)理。受摻雜Fe原子的影響,Cu(100)表面的活性得到了顯著提高,Fe-Cu(100)表面的Fe原子由于協(xié)同效應(yīng)而成為反應(yīng)活性中心。在CH4的解離過(guò)程中,CH3→CH2+H被認(rèn)為是決速步驟。微觀動(dòng)力學(xué)模型結(jié)果表明,CHx(x=1-3)的覆蓋率隨著溫度的升高而逐漸減小,在1035~1080oC溫度范圍,H2/CH4比例在0~5范圍CH3一直是主要的中間體。發(fā)現(xiàn)反應(yīng)速率隨著溫度的升高而增加。然而,在H2/CH4=0-0.2(或H2/CH40.2)的范圍內(nèi),反應(yīng)速率降低(或增加)。值得注意的是,控制H2分壓是調(diào)節(jié)CH4分解主要中間體和反應(yīng)速率的有效方法,并將進(jìn)一步影響石墨烯的生長(zhǎng)過(guò)程。2.石墨烯生長(zhǎng)初期CH4在Ni-Cu(100)表面解離的理論研究。利用DFT計(jì)算和微觀動(dòng)力學(xué)模型,系統(tǒng)地研究了Ni-Cu(100)表面上CH4解離和碳成核過(guò)程的機(jī)理。由于Ni和Cu之間的協(xié)同作用,摻雜的Ni原子不僅成為了Ni-Cu(100)表面的反應(yīng)活性中心,而且金屬摻雜也顯著提高了Cu(100)表面的活性。甲烷解離過(guò)程的決速步驟為CH→C+H。微觀動(dòng)力學(xué)模型解釋了不同溫度(1035~1080oC)和不同H2/CH4比例(0~5)對(duì)這些反應(yīng)的影響。推斷CH是主要的中間體,制備CH物種的最佳條件是在1035oC以下,且不涉及H2或涉及H2很少。CHx(x=1-3)的覆蓋率隨著溫度的升高而降低。相反,反應(yīng)速率隨著溫度的升高而增加。CHx(x=1-3)覆蓋率和反應(yīng)速率隨H2/CH4比例的變化而變化:在開始時(shí)具有下降的趨勢(shì),而后期表現(xiàn)為上升的趨勢(shì)。為了保持催化劑的活性,C/CH4應(yīng)控制在2.03×106以下。結(jié)果表明,通過(guò)改變H2分壓,溫度和C的覆蓋率,可以控制CH4解離速率和后續(xù)石墨烯的成核和生長(zhǎng)過(guò)程。
【圖文】：

圖 1.1 典型碳納米材料的結(jié)構(gòu)Fig 1.1 The structures of typical carbon nanomaterials來(lái)，石墨烯的發(fā)展較為突出，在生產(chǎn)和生活中正逐漸顯示出創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域。石墨烯在被發(fā)現(xiàn)以前，人們認(rèn)為任何碳的二

圖 1.2 石墨烯的結(jié)構(gòu)Fig 1.2 The structure of graphene碳原子之間的連接在受到外力時(shí)，其原子面會(huì)產(chǎn)生形變，，保證其自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[9]，具有較強(qiáng)的柔韌性。構(gòu)成石
【學(xué)位授予單位】：吉林化工學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O643.36;TQ221.11

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 任文才;高力波;馬來(lái)鵬;成會(huì)明;;石墨烯的化學(xué)氣相沉積法制備[J];新型炭材料;2011年01期

2 楊全紅;唐致遠(yuǎn);;新型儲(chǔ)能材料——石墨烯的儲(chǔ)能特性及其前景展望[J];電源技術(shù);2009年04期

本文編號(hào)：2595386