n-p共掺石墨烯/过渡金属复合体系磁性和单原子催化性能的研究

摘要

自2004年成功获得单层石墨烯后，由于其优异独特的结构、力学性质和电学性质，人们掀起了对石墨烯的研究热潮。
　　石墨烯弱自旋-轨道耦合及长自旋相干长度的特性决定了其在自旋电子学领域也是一个颇为理想的候选材料。因此，在石墨烯体系中引入磁性，尤其是长程铁磁性，对石墨烯基自旋电子学的发展是至关重要的。在过去的十多年的研究中人们提出了多种使石墨烯产生磁性的方法，然而一个普遍存在且最为关键的一个问题就是引入磁性的同时石墨烯本身能量线性色散关系会消失，这意味着石墨烯将失去其固有的新奇物理性质。本文运用第一性原理计算，基于n-p补偿性共掺杂方法和非共价π-π相互作用设计出了Fe/石墨烯/F4-TCNQ复合体系。首先通过计算表明，石墨烯与F4-TCNQ间的?-?相互作用能够使F4-TCNQ吸附到石墨烯体系最大程度地保留石墨烯本身电子性质，并验证了实验上其属于p型掺杂的结论。然后，通过n-p共掺杂的方法得到了稳定的F4-TCNQ/Fe共掺杂石墨烯体系。进一步的计算表明，通过F4-TCNQ分子的交换媒介作用，两个铁原子之间实现了非常强的长程铁磁耦合。本研究在保持石墨烯本身新奇独特性质的同时为实现磁性石墨烯提供了一种新的方法。
　　另外，由于大比表面积载体的贵金属催化剂对大量重要的化学反应表现有高的催化活性。同时，贵金属存在着资源稀缺及成本高的问题，使得其应用范围受到了限制。通常，催化剂颗粒的尺寸大小和载体材料的选择是决定其催化性能的关键因素。通过减小金属纳米粒子尺度到亚纳米尺度甚至到单原子，能够大大提高催化性能,但金属原子高表面自由能的问题常常引起金属原子的聚集团簇现象。石墨烯由于大的比表面积，优异的电学、热学性能，作为催化载体方面引发了广泛的关注。相关理论研究发现，通过引入缺陷的方法，Au、Pt、Pd、Cu等金属原子在石墨烯载体材料上有着高效的催化性能，然而这种在载体材料上产生空位的方法在实验技术手段上存在着一定的困难。因此，寻找新的方法实现单原子催化反应的研究有着重要的意义。本文基于第一性原理计算方法，通过n-p共掺杂方法设计出了稳定的B/Cu共掺杂石墨烯体系及B/Fe共掺杂石墨烯体系。计算结果表明，基于石墨烯载体的低成本非贵金属单原子Cu、Fe催化剂对低温CO氧化反应表现有高的催化活性，反应能垒低。因此，n-p共掺杂方法为单原子催化的实现提供了一种新的有效途径。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 石墨烯概述

1.2 石墨烯基自旋电子学

1.3 单原子催化概述

1.4 本论文的主要内容

2 计算理论基础和软件介绍

2.1 第一性原理

2.2 密度泛函理论

2.3 交换关联能泛函

2.4 赝势方法

2.5 布洛赫定理和超胞模型

2.6 相关计算软件

3 n-p共掺石墨烯/过渡金属复合体系磁性的研究

3.1 引言

3.2 计算细节

3.3 结果与讨论

3.4 结论

4 n-p共掺石墨烯/过渡金属复合体系单原子催化性能的研究

4.1 引言

4.2 计算细节

4.3 结果与讨论

4.4 结论

5 全文总结

致谢

参考文献

附录

A. 攻读硕士学位期间所发表的论文

B. 攻读硕士学位期间所荣获的奖励

C. 攻读硕士学位期间所参加的学术会议