金屬修飾黑磷烯對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)異的機械特性、電子學特性和光電特性，自從2014年由實驗制備出來它便立即成為各個學術(shù)領(lǐng)域研究的焦點。研究人員對這種新型二維黑磷材料在半導體器件、光電器件以及鋰離子電池電極方面的應(yīng)用進行了廣泛研究。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。本文利用基于密度泛函理論的VASP(Vienna Ab-initio Software Package)軟件包對氫氣(

2、H2)及一氧化碳(CO)在黑磷烯基材料上的吸附特性進行了第一性原理研究。重點研究了金屬鋰(Li)修飾黑磷烯的氫儲存特性以及各種金屬原子修飾對H2和CO吸附特性的影響。本文的主要研究內(nèi)容和所取得的研究結(jié)果如下:
　　(1)首先對H2分子在純黑磷烯上的吸附進行了計算。H2與黑磷烯之間的相互作用非常微弱，每個H2分子吸附能只有0.06eV，無法保證在環(huán)境條件(Ambient conditions)下維持穩(wěn)定吸附。通過在黑磷烯上進行金屬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Li原子周圍能有效吸附3個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原子之間形成團簇。借助態(tài)密度和Barder電荷分析，本文詳細討論了Li與H2分子之間相互作用的機理，H2σ鍵態(tài)與Li的2s和2p軌道之間有較強耦合作用。通過增加黑磷烯上金屬Li修飾密度到25％，得到了適合應(yīng)用于氫儲存的媒介材料，其儲氫效率為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H2吸附的影響，由于鑭系金屬元素具有相似的化學和物理性質(zhì)，只考慮了其中金屬鑭作為代表。選用公認的能量“窗口”0.20～0.60eV作為H2吸附能篩選標準，得到對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)進行H2分子吸附，得到其中Li、Sc、Ti、Y、Zr和La每個原子周圍分別能有效吸附3、4、4、4、3和

5、5個H2。這幾種金屬原子不僅對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存修飾金屬。并且選擇各類金屬中具有代表性的原子對金屬在黑磷烯上吸附特性及金屬與H2之間的相互作用機理進行了分析。
　　(3)考慮到CO與金屬之間相互作用較強，從而弱化修飾在黑磷烯上的金屬與襯底之間的結(jié)合，在進行CO吸附的時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