金屬負(fù)載石墨烯對O2和CO氣敏性的第一性原理研究.pdf

1、石墨烯完美的π電子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致本征石墨烯作為氣敏傳感器的使用受限，因此常利用石墨烯自身存在缺陷和引入過渡金屬改變石墨烯對氣體分子的吸附情況。本文采用GGA-PW91方法研究了O2和CO吸附于本征石墨烯（Gra）、空位石墨烯（D-Gra）、金屬負(fù)載的石墨烯（M—Gra）和金屬負(fù)載的D-Gra（M—D-Gra）（M=Ni、Pd、Pt和Al）體系以及三種覆蓋度（1/18ML、1/32ML和1/50ML）下的O2和CO吸附體系的吸附能、幾何和電子結(jié)

2、構(gòu)。計(jì)算結(jié)果表明：
　　M-Gra和M-D-Gra體系中M與Gra或D-Gra之間的結(jié)合力強(qiáng)弱與M電子結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中金屬M(fèi)的電負(fù)性越強(qiáng)，M與Gra的電荷轉(zhuǎn)移量越大，二者之間結(jié)合力越強(qiáng)。在O2、CO-Gra體系，O2和CO與Gra之間相互作用屬于弱物理吸附；對O2、CO-M-Gra體系，M的負(fù)載使O2和CO從物理吸附轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)吸附，吸附O2后M-Gra體系帶隙均發(fā)生變化，其中Ni-Gra體系帶隙變化量最大，即金屬Ni負(fù)載的石墨烯對O

3、2的敏感性最高；對CO-M-Gra體系，帶隙均未打開，但Pt負(fù)載石墨烯吸附CO后帶隙變化最大，即Pt負(fù)載石墨烯對CO的敏感性影響最大。對D-Gra表面，吸附的O2被解離，O與空位處C原子成鍵；吸附的CO中的C原子補(bǔ)在石墨烯空位處，O原子與空位處兩個(gè)C原子成鍵。對M-D-Gra體系，類似于M-Gra，O2和CO與M-D-Gra之間相互作用屬于化學(xué)吸附；Pt-D-Gra和Al-D-Gra體系吸附O2后帶隙變化量最大，即Pt和Al與空位結(jié)合對

4、石墨烯吸附O2敏感性影響最強(qiáng)。對CO-M-D-Gra體系，負(fù)載Al的空位石墨烯吸附CO后帶隙變化量最大，即Al與空位結(jié)合對石墨烯吸附CO敏感性影響最強(qiáng)。
　　三種覆蓋度（1/18ML、1/32ML和1/50ML）下的O2和CO在本征石墨烯表面的吸附均為弱物理吸附；當(dāng)有空位存在時(shí)，O2和CO在石墨烯表面的吸附變?yōu)榛瘜W(xué)吸附；對M-Gra體系，金屬M(fèi)在本征石墨烯和空位石墨烯負(fù)載的穩(wěn)定位置不隨金屬 M的覆蓋度變化而變化，吸附能隨覆蓋度的減

5、小而減小，即金屬M(fèi)與石墨烯之間的結(jié)合力增大。對三種覆蓋度下的O2和CO吸附的M-Gra體系，Ni、Pt-Gra對低覆蓋度（1/32ML和1/50ML）的O2敏感性較高，Pd、Al-Gra對O2的覆蓋度不敏感；Ni-Gra體系對覆蓋度為1/18ML的CO較為敏感，其它體系對三種覆蓋度下的CO敏感低。對三種覆蓋度下的O2和CO吸附的M-D-Gra體系，負(fù)載金屬Ni、Pd和Pt-D-Gra對低覆蓋度（1/32ML和1/50ML）O2的敏感性更