氟化石墨烯还原机理和石墨二炔储氢性能的理论研究

摘要

2004年实验上用机械剥离法得到了单层石墨烯，此项工作获得了诺贝尔物理学奖，引起了人们对二维碳材料的研究热情。石墨烯吸附动力学性能好、比表面积大、载流子迁移率高和可逆储氢等特点受到科学家们的高度关注。但是石墨烯的大量制备依然是困扰科学家们的难题。目前在实验上多用还原氧化石墨烯的方法来大规模的制备石墨烯，但是由于其表面种类繁多的含氧基团和反应过程中易发生团聚的缺点一直被人们所诟病。本文采用密度泛函理论的广义梯度近似法，对于氟化石墨烯和乙二胺的反应制备石墨烯过程进行了理论研究。研究发现乙二胺中的偏转式结构和反式结构都可以稳定存在，其中偏转式结构的乙二胺比反式结构的乙二胺能量更高、更稳定。研究结构最稳定的偏转式乙二胺和氟化石墨烯的反应过程，得到了与实验类似的结果，但是整个过程中的反应能垒较高；通过研究次稳定的反式结构乙二胺和氟化石墨烯的反应过程，得到主反应通道中反应能垒低至0.81eV，表明反应在自然状态下有可能发生；在反应完成后氟化石墨烯表面的F原子被还原出来，将氟化石墨烯变成石墨烯。Mulliken电荷布居和键能的计算结果也证明了反式结构乙二胺中CH2更容易与氟化石墨烯反应。 2010年李玉良团队在实验上制备出来一种拥有比石墨烯更大的比表面积的二维碳材料-石墨二炔(GDY)。基于密度泛函理论，我们首先研究了GDY原胞的储氢性能，发现GDY原胞对H2分子的吸附能很小，然后研究了Y原子修饰GDY体系的几何结构、吸附机理和储氢结构。用Y原子修饰时位于GDY的苯环中心是最稳定的吸附结构，周围最多吸附6个H2分子，平均吸附能为-0.314eV/H2。为了进一步提高储氢量，研究了两个Y修饰GDY基底的储氢结构，整个体系最多可以吸附14个H2分子，平均吸附能为-0.245eV/H2。进一步的分析发现，Y-GDY体系对H2分子在的吸附主要是Y、C和H原子之间的轨道相互作用，以及电荷转移后带正电荷的Y原子和带负电荷的H2分子之间的库仑相互作用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1石墨烯的制备

1.2 碳基二维材料的储氢

1.3研究内容

第2章 理论基础

2.1基于密度泛函理论的第一性原理方法

2.1.1 Hohenberg-kohn定理

2.1.2 Kohn-Sham方程

2.1.3交换关联泛函

2.2 过渡态理论

第3章 氟化石墨烯和乙二胺反应的第一性原理研究

3.1计算细节

3.2结果与讨论

3.2.1 偏转式结构的乙二胺和氟化石墨烯的反应

3.2.2反式结构的乙二胺和氟化石墨烯的反应

3.3本章小结

第4 章 Y 修饰石墨二炔体系的储氢性能

4.1计算方法

4.2结果与讨论

4.2.1 GDY基底的储氢性能

4.2.2单个Y原子修饰GDY的储氢性能

4.2.3两个Y原子修饰GDY吸附构型储氢

4.4本章小结

总结与展望

本文总结

研究展望

参考文献

致谢

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