金屬負(fù)載石墨烯對(duì)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(guò)渡金屬改變石墨烯對(duì)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(duì)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(duì)O

3、2的敏感性最高；對(duì)CO-M-Gra體系，帶隙均未打開(kāi)，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(duì)CO的敏感性影響最大。對(duì)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(duì)M-D-Gra體系，類(lèi)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(duì)

4、石墨烯吸附O2敏感性影響最強(qiáng)。對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)三種覆蓋度下的O2和CO吸附的M-Gra體系，Ni、Pt-Gra對(duì)低覆蓋度（1/32ML和1/50ML）的O2敏感性較高，Pd、Al-Gra對(duì)O2的覆蓋度不敏感；Ni-Gra體系對(duì)覆蓋度為1/18ML的CO較為敏感，其它體系對(duì)三種覆蓋度下的CO敏感低。對(duì)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(duì)低覆蓋度（1/32ML和1/50ML）O2的敏感性更