掺杂石墨炔表面O2_H2O吸附及解离的第一性原理研究.pdf

中原工学院硕士学位论文

摘要

近年来，新型能源催化材料的设计、开发和应用等研究课题受到越来越多研究者的

关注。考虑到工业催化领域中贵金属催化剂的应用限制，非贵金属高效催化材料的设计

和开发成为了当前能源催化领域中的热门课题。以石墨烯为代表的二维材料因具有较大

比表面积、表面易调控、应用广泛的特点进入了研究者的视野。石墨炔作为新型二维碳

基材料具有独特碳-碳化学键，可以通过掺杂不同种类原子来对其电子结构进行调节，

赋予其奇异的物理及化学性质，使其在能源催化转化、能源存储、气体传感等领域显现

出潜在的应用前景。本文利用石墨炔表面易于掺杂的特性，采用过渡金属铁（Fe）原子，

N

以及过渡金属铁、非金属氮（）原子配位共掺杂等方式在石墨炔表面进行结构设计，

探究了掺杂原子对石墨炔基底电子结构的调制，以及不同掺杂结构表面上O/HO分子

22

的吸附及解离反应过程。主要研究内容如下：

（1）采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，探究了O2分子在Fe原子单

FeNFeNGYFeFeN

掺杂、和2共掺杂石墨炔（）表面上的吸附及解离特性。单原子、双

原子和FeN2三原子均能够稳定地被锚定在本征石墨炔表面上，从而形成结构稳定的掺

杂基底。Fe/N杂质原子的引入能够有效调控石墨炔的电子结构性质，显著增强石墨炔表

面对O2分子的吸附能力。通过对吸附态结构参数、电子结构性质等结果分析，可以得

OGY-FeN(C1)

到分子在这三类掺杂体系表面上是一种典型的化学吸附行为，其中，在

2

OGY-Fe(C2)GY-FeN(C2

体系表面能够直接发生解离吸附。此外，吸附态分子能够在、

2

和C3)体系表面能够以较低的能量势垒被解离为两个O原子，同时放出大量的反应热。

相对于Fe原子单掺杂和FeN共掺杂体系，吸附态O2分子在FeN2共掺杂表面解离过程

却需要克服较大能量势垒。因此，本研究可以为石墨炔基氧还原反应催化剂的设计提供

理论思路，为氢氧燃料电池的电极催化材料筛选提供了一些有用的信息。

2HONFeNGY

（）研究了2分子在原子和共掺杂石墨炔（）表面的吸附及解离特

HOGY-FeNGY-N

性。研究发现，分子只有在体系表面上是化学吸附行为，在体系表

2

面上为物理吸附行为。吸附态HO分子在GY-FeN体系表面不同掺杂位点上的解离过程

2

分析，HO分子更倾向于在C4掺杂位点解离为OH基团和H原子，其解离能垒为1.163

2

eV，解离之后初、末态能量大小基本一致。因此，本研究可以为石墨炔基析氢反应催化

剂的设计提供有用信息。

关键词：第一性原理计算；γ-石墨炔；Fe-N原子共掺杂；吸附；解离

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