金屬修飾黑磷烯對(duì)H2和CO的吸附特性研究.pdf

1、黑磷烯作為一種新型二維材料，具有諸多優(yōu)異的機(jī)械特性、電子學(xué)特性和光電特性，自從2014年由實(shí)驗(yàn)制備出來(lái)它便立即成為各個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)。研究人員對(duì)這種新型二維黑磷材料在半導(dǎo)體器件、光電器件以及鋰離子電池電極方面的應(yīng)用進(jìn)行了廣泛研究。此外，作為一種二維材料，黑磷烯具有很高的表面積體積比，在氣體吸附和傳感方面具有天然優(yōu)勢(shì)。本文利用基于密度泛函理論的VASP(Vienna Ab-initio Software Package)軟件包對(duì)氫氣(

2、H2)及一氧化碳(CO)在黑磷烯基材料上的吸附特性進(jìn)行了第一性原理研究。重點(diǎn)研究了金屬鋰(Li)修飾黑磷烯的氫儲(chǔ)存特性以及各種金屬原子修飾對(duì)H2和CO吸附特性的影響。本文的主要研究?jī)?nèi)容和所取得的研究結(jié)果如下:
　　(1)首先對(duì)H2分子在純黑磷烯上的吸附進(jìn)行了計(jì)算。H2與黑磷烯之間的相互作用非常微弱，每個(gè)H2分子吸附能只有0.06eV，無(wú)法保證在環(huán)境條件(Ambient conditions)下維持穩(wěn)定吸附。通過(guò)在黑磷烯上進(jìn)行金屬L

3、i修飾，H2分子的吸附能明顯增大到0.20eV以上，并且每個(gè)Li原子周?chē)苡行?個(gè)H2分子。Li原子在黑磷烯上束縛能為2.17eV，明顯大于體型鋰中Li原子的內(nèi)聚能，從而能夠避免修飾的Li原子之間形成團(tuán)簇。借助態(tài)密度和Barder電荷分析，本文詳細(xì)討論了Li與H2分子之間相互作用的機(jī)理，H2σ鍵態(tài)與Li的2s和2p軌道之間有較強(qiáng)耦合作用。通過(guò)增加黑磷烯上金屬Li修飾密度到25％，得到了適合應(yīng)用于氫儲(chǔ)存的媒介材料，其儲(chǔ)氫效率為4.4w

4、t％。
　　(2)本文還考慮了各種金屬原子在黑磷烯上修飾對(duì)H2吸附的影響，由于鑭系金屬元素具有相似的化學(xué)和物理性質(zhì)，只考慮了其中金屬鑭作為代表。選用公認(rèn)的能量“窗口”0.20～0.60eV作為H2吸附能篩選標(biāo)準(zhǔn)，得到對(duì)H2具有合適大小吸附能的9種金屬:Li、Sc、Ti、Cu、Y、Zr、Rh、Pd和La?；谏鲜鼋饘傩揎椇诹紫├^續(xù)進(jìn)行H2分子吸附，得到其中Li、Sc、Ti、Y、Zr和La每個(gè)原子周?chē)謩e能有效吸附3、4、4、4、3和

5、5個(gè)H2。這幾種金屬原子不僅對(duì)H2有合適的吸附能而且具有可觀的吸附量，可用作黑磷烯上氫儲(chǔ)存修飾金屬。并且選擇各類金屬中具有代表性的原子對(duì)金屬在黑磷烯上吸附特性及金屬與H2之間的相互作用機(jī)理進(jìn)行了分析。
　　(3)考慮到CO與金屬之間相互作用較強(qiáng)，從而弱化修飾在黑磷烯上的金屬與襯底之間的結(jié)合，在進(jìn)行CO吸附的時(shí)候要求所有修飾金屬的束縛能大于其內(nèi)聚能。滿足這一條件的金屬只有Li、Na、K、Rb、Cs、Ca、Sr、Ba、Pd和La。除R