基于石墨烯催化的第一性原理研究.pdf

1、石墨烯由于其卓越的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)，受到了廣泛關(guān)注。最近研究發(fā)現(xiàn)石墨烯具有優(yōu)異的催化和協(xié)同催化作用，可以大幅提高現(xiàn)有催化劑的催化能力和實現(xiàn)無金屬催化，顯著提高生產(chǎn)效率和降低成本，在制氫和除污等方面具有巨大的應(yīng)用價值。本論文用第一性原理計算的方法，研究了MoS2與石墨烯復(fù)合體系在制氫過程中的協(xié)同催化作用和摻氮石墨烯在CO氧化反應(yīng)中的催化作用。
　　(1)我們研究了石墨烯與MoS2納米顆粒的協(xié)同催化作用。計算發(fā)現(xiàn)，MoS2納米顆粒

2、在石墨烯上殘留的的-O-和-OH-功能團上的吸附能比在純石墨烯上的吸附能大很多，表明MoS2納米顆粒傾向于生長在含氧功能團上，因而具有良好的空間分散性，具有豐富的活性邊緣，有利于提高催化能力。計算還發(fā)現(xiàn)與純MoS2的Mo邊相比，生長石墨烯上的MoS2的Mo邊在制氫過程中的催化性能大為提高，在不同的氫的覆蓋率下，差分吉布斯自由能顯著降低。研究表明，這是由于從石墨烯到MoS2的明顯的電荷轉(zhuǎn)移有效地降低了反應(yīng)勢壘。計算結(jié)果與實驗相符，解釋了M

3、oS2納米顆粒在石墨烯上的高分散性生長和催化性能的顯著提高。
　　(2)我們研究了摻氮石墨烯在CO氧化反應(yīng)中的催化作用。計算發(fā)現(xiàn)，當原胞中的石墨烯中只有一個N的替位原子時，氧分子不吸附在摻氮石墨烯上，氧化反應(yīng)不能發(fā)生。當原胞中有兩個靠近的N的替位原子時，氧分子可以吸附在摻氮石墨烯的C原子上，并且氧分子的鍵長變大。我們用NEB方法計算了此情形下CO分子的氧化，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)勢壘很低(0.19eV)。但是反應(yīng)后余下的O原子與CO反應(yīng)的勢壘較

4、高，因為前者較強地吸附在C原子上，形成較短的C-O鍵。當原胞中兩個N原子距離增大時，研究發(fā)現(xiàn)，氧分子被吸附在C原子的位置，氧分子鍵變長；而當單個O原子吸附在C原子上時，N-O鍵長也增長了。這表明當摻氮原子距離合適時，氧分子中的兩個氧原子都可以以較低的勢壘依次參與CO分子的氧化反應(yīng)。
　　我們的計算表明石墨烯不僅能夠與其他普通催化劑相互結(jié)合產(chǎn)生很好的協(xié)同催化作用，而且石墨烯本身在摻雜非金屬原子的情況下也可以作為催化劑.我們的研究結(jié)果