低维碳材料催化性质及二硫化钼电子性质研究
本文中，我们采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理方法，主要研究了三部分内容，包括B、N掺杂碳纳米管的催化性质；B、N掺杂石墨烯的催化性质；双层二硫化钼的间接带隙到直接带隙转变以及带隙宽度调整。 在第一部分中，我们采用第一性原理方法对B、N掺杂的碳纳米管对CO的催化性质进行了详细研究。计算了不同B、N掺杂的碳纳米管结构对CO催化氧化的反应势垒。发现B和N单独掺杂都能使碳纳米管产生催化活性。而在B、N共掺时，反应势垒随着B、N之间距离的增大而降低，碳纳米管的催化活性随之增强。当B、N位于最近邻位置时，催化性质随着N原子掺杂数目的增多而增强。其原因是B和N结合成对掺杂时，N的自由电子与B的空缺轨道结合，使得碳纳米管的惰性很难被打破。当B和N分离掺杂时，自由电子或空穴与C原子的π电子结合，使碳纳米管产生催化活性。 在第二部分，我们运用第一性原理方法研究了B、N掺杂的石墨烯对CO的催化性质。选取了六种B、N掺杂的石墨烯结构进行研究。通过详细的计算，我们发现，对于B-N，B-2N，B-3N掺杂的石墨烯，其催化CO氧化的反应势垒随着N原子掺杂浓度的升高而降低，也就是说石墨烯的催化性质随着 N原子掺杂浓度的提高而增强。而对于B-N，3-BN两种结构，由三个B-N对组成的3-BN六元环掺杂的石墨烯的催化性质比一个B-N对掺杂时明显增强。因此我们认为当B和N掺杂浓度相同时，催化CO的反应势垒随着掺杂浓度的增大而降低，石墨烯催化活性随之提高。由此我们得到B、N掺杂能够使石墨烯结构产生催化活性，并且其催化性质可以通过不同的B、N掺杂浓度来改变。 最后，我们通过能带折叠理论分析和第一性原理方法，仔细研究了双层二硫化钼超晶格的电子特性。在双层二硫化钼六角超晶格（N, M）中，当N和M都是3的整数倍时，导带底能够从 K点折叠到Γ点从而成为直接带隙半导体。而在双层二硫化钼正交超晶格（P, Q）中，当Q是3的整数倍时，导带底也能够折叠到Γ点成为直接带隙半导体。不论在六角超晶格还是正交超晶格中，都可以通过掺杂O原子使赝超晶格成为真正的超晶格，带隙宽度都可以通过面内应力拉伸以及层间距压缩的方式来调整。这一研究结果为设计直接带隙纳米结构并调节其带隙宽度使其应用到高性能发光器件中提供了重要参考。
第一性原理;低维碳材料;碳纳米管;石墨烯;催化性质;二硫化钼;能带结构;电子性质
济南大学
硕士
物理学
陈刚
2015
中文
TB383;O643.31
70
2017-08-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）