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基于石墨烯催化的第一性原理研究

作　者: 付庆平
导　师: 彭向阳
学　校: 湘潭大学
专　业: 物理学
关键词: 石墨烯硫化钼催化吉布斯自由能势垒
分类号: O613.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 69次
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内容摘要

石墨烯由于其卓越的电学、力学和热学性质，受到了广泛关注。最近研究发现石墨烯具有优异的催化和协同催化作用，可以大幅提高现有催化剂的催化能力和实现无金属催化，显著提高生产效率和降低成本，在制氢和除污等方面具有巨大的应用价值。本论文用第一性原理计算的方法，研究了MoS₂与石墨烯复合体系在制氢过程中的协同催化作用和掺氮石墨烯在CO氧化反应中的催化作用（1）我们研究了石墨烯与MoS₂纳米颗粒的协同催化作用。计算发现，MoS₂纳米颗粒在石墨烯上残留的的-O-和-OH-功能团上的吸附能比在纯石墨烯上的吸附能大很多，表明MoS₂纳米颗粒倾向于生长在含氧功能团上，因而具有良好的空间分散性，具有丰富的活性边缘，有利于提高催化能力。计算还发现与纯MoS₂的Mo边相比，生长石墨烯上的MoS₂的Mo边在制氢过程中的催化性能大为提高，在不同的氢的覆盖率下，差分吉布斯自由能显著降低。研究表明，这是由于从石墨烯到MoS₂的明显的电荷转移有效地降低了反应势垒。计算结果与实验相符，解释了MoS₂纳米颗粒在石墨烯上的高分散性生长和催化性能的显著提高。（2）我们研究了掺氮石墨烯在CO氧化反应中的催化作用。计算发现，当原胞中的石墨烯中只有一个N的替位原子时，氧分子不吸附在掺氮石墨烯上，氧化反应不能发生。当原胞中有两个靠近的N的替位原子时，氧分子可以吸附在掺氮石墨烯的C原子上，并且氧分子的键长变大。我们用NEB方法计算了此情形下CO分子的氧化，发现反应势垒很低（0.19eV）。但是反应后余下的O原子与CO反应的势垒较高，因为前者较强地吸附在C原子上，形成较短的C-O键。当原胞中两个N原子距离增大时，研究发现，氧分子被吸附在C原子的位置，氧分子键变长；而当单个O原子吸附在C原子上时，N-O键长也增长了。这表明当掺氮原子距离合适时，氧分子中的两个氧原子都可以以较低的势垒依次参与CO分子的氧化反应。我们的计算表明石墨烯不仅能够与其他普通催化剂相互结合产生很好的协同催化作用，而且石墨烯本身在掺杂非金属原子的情况下也可以作为催化剂.我们的研究结果为设计基于石墨稀的催化提供了理论依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-19
  1.1 引言  8-10
  1.2 催化的过程与一般概念  10-12
  1.3 石墨烯及其在催化领域的研究进展  12-19
第2章理论计算方法  19-25
  2.1 密度泛函理论基础  19-21
  2.2 Bader charge  21-22
  2.3 计算细节  22-23
  2.4 技术途径  23-25
第3章二硫化钼与石墨烯的协同催化作用  25-35
  3.1 计算结构  25-28
  3.2 计算方法  28-29
  3.3 计算结果与讨论  29-33
  3.4 小结  33-35
第4章掺氮石墨烯催化性能的第一性原理研究  35-40
  4.1 计算方法  36
  4.2 氧分子在掺氮石墨烯表面的吸附  36-37
  4.3 掺氮石墨烯的催化性能研究—NEB 方法计算反应过渡态  37-39
  4.4 小结  39-40
第5章总结和展望  40-41
  5.1 论文总结  40
  5.2 工作展望  40-41
参考文献  41-46
致谢  46-47
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  47

基于石墨烯催化的第一性原理研究

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