本文選題：石墨烯　切入點(diǎn)：儲(chǔ)氫性能　出處：《陜西師范大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：石墨烯,是一種由單層碳原子以sp2軌道雜化形成的六角蜂巢狀的平面薄膜,自2004年問世以來在科學(xué)界備受關(guān)注。石墨烯是一種零帶隙的半導(dǎo)體,具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性、極高的電子遷移率、超高的固有強(qiáng)度、極大的比表面積和良好的透光性能。鑒于其獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電子特性,石墨烯已廣泛應(yīng)用于氫氣儲(chǔ)存、氣體傳感器、鋰離子電池、晶體管、催化劑等領(lǐng)域。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,從石墨烯結(jié)構(gòu)改性、摻雜調(diào)制入手,系統(tǒng)的研究了N、B摻雜及各類空位缺陷對(duì)Pd修飾石墨烯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電子特性和儲(chǔ)氫性能的影響；研究了Pd摻雜對(duì)石墨烯吸附氣體分子CO、NH3、O2和N02的氣敏性質(zhì)的影響；研究了N、B摻雜對(duì)扶手椅型和鋸齒型硅納米帶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電磁性能的影響。主要得到如下結(jié)論：(1)系統(tǒng)的研究了Pd修飾N摻雜石墨烯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、氫儲(chǔ)存行為及儲(chǔ)氫機(jī)理。研究結(jié)果表明：三種Pd修飾的N摻雜石墨烯當(dāng)中,Pd/pyridinic和Pd/pyrrolic結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定,并且每個(gè)Pd原子最多可吸附3個(gè)H2分子。當(dāng)單個(gè)或兩個(gè)H2分子吸附于基底之上時(shí),氫鍵顯著增長但尚未離解,均是以分子的形式與Pd原子結(jié)合,形成Pd-H2結(jié)構(gòu)的Kubas復(fù)合物,屬于化學(xué)吸附。H2分子的結(jié)合機(jī)制歸因于Pd-4d軌道和H-σ軌道間較強(qiáng)的雜化,亦稱作Kubas相互作用。當(dāng)?shù)?個(gè)H2分子吸附于基底之上時(shí),則以微弱的范德瓦爾斯力與Pd原子作用,屬于物理吸附。對(duì)于double-side Pd/pyridinic和Pd/pyrrolic結(jié)構(gòu),均可結(jié)合6個(gè)H2分子,相應(yīng)的儲(chǔ)氫質(zhì)量密度為1.99wt%。(2)系統(tǒng)的研究了B原子和三類空位缺陷(分別為單空位SV、 585型雙空位(585-DCV)、555-777型雙空位(555-777 DCV))引入后Pd修飾石墨烯的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、氫儲(chǔ)存行為及儲(chǔ)氫機(jī)理。計(jì)算結(jié)果表明：上述四種儲(chǔ)氫基底之中,Pd/SV和Pd/585-DCV結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定,且Pd原子的結(jié)合能超出了塊體Pd原子間的內(nèi)聚能,因此Pd原子能夠均勻的、穩(wěn)定的分布于該基底之上并有效的阻止了團(tuán)簇的發(fā)生。Pd/B-doped graphene、Pd/SV和Pd/555-777-DCV結(jié)構(gòu)最多可吸附3個(gè)H2分子。其中,Pd/B-doped graphene和Pd/555-777-DCV結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出與Pd/pyridinic和Pd/pyrrolic結(jié)構(gòu)相同的H2結(jié)合機(jī)制。而Pd/SV結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出與眾不同的氫儲(chǔ)存特征：3個(gè)H2分子均以分子的形式與Pd原子結(jié)合,形成類Pd-H2的Kubas復(fù)合物。H2分子與Pd原子結(jié)合的機(jī)制有兩個(gè)：一是歸因于Pd-4d軌道和H-σ軌道間較強(qiáng)的雜化；二是與Pd離子和極化的H2分子間的靜電相互作用緊密相關(guān)。并且,H2分子的吸附能介于0.25～0.41 eV/H2之間,恰處于氫存儲(chǔ)和釋放需要可逆進(jìn)行的理想狀態(tài),滿足氫儲(chǔ)存的條件。(3)系統(tǒng)的研究了小氣體分子(CO, NH3,O2和N02)在純凈石墨烯和Pd摻雜的石墨烯上的吸附行為和氣敏特性。研究表明：氣體分子吸附于純凈石墨烯的吸附能很小,介于0,08～0.24 eV之間,屬于較弱的物理吸附。其中,石墨烯僅對(duì)02和N02分子的敏感度較高,所以對(duì)氣體分子的探測具有選擇性,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。相形之下,石墨烯中Pd原子的引入大幅度提升了基底對(duì)氣體分子的反應(yīng)活性,氣體分子的吸附能顯著增加,既提高了氣體與基底間的結(jié)合強(qiáng)度,又使得基底的電導(dǎo)率發(fā)生明顯改變。因此,石墨烯中Pd原子的引入增強(qiáng)了對(duì)探測氣體分子的敏感性,比純凈石墨烯更適合用于氣體分子傳感器的制備與應(yīng)用。(4)系統(tǒng)的研究了N、B原子摻雜下的扶手型硅納米帶(ASiNRs)的結(jié)構(gòu)、形成能和電子性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果表明：根據(jù)系統(tǒng)形成能的最小值判斷,N、B雜質(zhì)原子更容易替代邊緣的Si原子。當(dāng)單個(gè)N或B原子及兩個(gè)B原子共摻雜時(shí),ASiNRs由半導(dǎo)體性轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘傩?而對(duì)于兩個(gè)N原子共摻雜時(shí),ASiNRs依舊保持半導(dǎo)體特性。另外,N-B共摻雜于ASiNRs邊緣時(shí)亦不會(huì)改變其半導(dǎo)體性質(zhì)。(5)系統(tǒng)的研究了N、B原子摻雜下的鋸齒型硅納米帶(ZSiNRs)的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和磁學(xué)性能。研究表明：與ASiNRs相同,雜質(zhì)原子最優(yōu)先取代ZSiNRs邊緣處的Si原子。當(dāng)單個(gè)N或B原子位于ZSiNRs的邊緣處時(shí),雜質(zhì)原子及附近區(qū)域的自旋被大幅度抑制,ZSiNRs由原來的反鐵磁態(tài)過渡到鐵磁態(tài)。單個(gè)N原子摻雜的ZSiNRs仍舊保持半導(dǎo)體性,而單個(gè)B原子摻雜的ZSiNRs呈現(xiàn)半金屬性。當(dāng)雙原子摻雜(無論是N-N、B-B還是N-B共摻雜)于ZSiNRs的兩個(gè)邊緣時(shí),由于邊緣處的自旋被全部抑制,均表現(xiàn)為無磁性。此外,N-N. N-B雙原子摻雜下ZSiNRs的結(jié)構(gòu)依然具有半導(dǎo)體性,但帶隙減�。欢鳥-B雙原子摻雜下ZSiNRs則表現(xiàn)為金屬性�？傮w而言,N、B單位和雙位摻雜及N-B共摻雜的ASiNRs和ZSiNRs在場效應(yīng)晶體管、負(fù)微分電阻和自旋過濾器等硅基納米電子器件的制備上具有潛在的實(shí)際應(yīng)用。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ127.11;TB383.1
，

本文編號(hào)：1589779