采用基于研究氢传感特性的原始和Mo-Doped石墨烯

文摘

H的吸附₂原始和Mo-doped石墨烯研究了密度泛函理论(DFT)计算。的结构和电子性质H₂石墨烯系统理解H之间的相互作用进行了研究₂分子和石墨烯材料。我们的计算结果显示,原始石墨烯并不是一个理想的传感材料检测H₂分子,因为它远离了原始石墨烯表面。Mo-doped不同原始石墨烯,石墨烯提出更高的亲和力的H₂分子。这是发现H₂分子可以稳定地吸附在Mo-doped石墨烯高的结合能。Mo-doped石墨烯的电子性质显著影响H之间的强相互作用和轨道杂化₂和Mo-doped石墨烯表。H₂分子可以捕获更多的指控掺杂石墨烯比原始系统,表明石墨烯掺杂钼的灵敏度越高。

1。介绍

在过去的十年中,二维层状石墨烯激发了巨大的利益由于其独特的机械,光学,运输和杰出的电子特性,因为它被教授在诺沃肖洛夫et al。1]。它已经广泛应用于锂离子电池、太阳能电池、发光二极管、和气体传感器(2- - - - - -4]。先前的研究表明,本征石墨烯不可能高效率与小气体分子,如公司,不,不,H₂年代,有限公司₂,在北半球₃,和H₂由于惰性的性质π电子共轭碳原子形成的石墨烯(5- - - - - -8]。几种方法已经克服这个限制。在各种方法中,与过渡金属掺杂已经确认将被证明是一个最面部和有效的方法来改善石墨烯的气体传感特性。最近,Cortes-Arriagada等人发现,Fe-doped石墨烯(FeG)是一种优越的吸附材料和传感的有限公司,有限公司₂,所以₂,和H₂年代相比原始石墨烯(9]。显然,先前的理论研究表明,金属掺杂剂可以用来提高石墨烯的气体传感行为。

氢气(H₂)已经被认为是理想的能源,总是在工业过程和发电设备(10,11]。然而,光,无色,无嗅,无味的H的属性₂使它容易泄漏和困难被人类发现。它具有较高的爆炸的可能性由于低点火能量和易燃范围宽(12,13]。因此,重视组装设备的检测和控制风险敞口。最近,许多研究都集中在碳基材料的氢传感性能理论上和实验14]。Lotfi和他的同事研究了增强吸附氢气的过渡metal-doped石墨烯(15]。Chanukorn也报道,石墨烯nanosheets掺杂组8 b过渡金属可以作为更可靠和有效的氢传感器比裸露的石墨烯(16]。出于这些研究,我们研究了氢气和Mo-doped石墨烯片之间的相互作用(mog)在这个工作的基础上,密度泛函理论计算。计算结果表明,氢分子的吸附石墨烯表也可以增强通过掺杂钼元素,导致更高的灵敏度对H₂。

2。计算的细节

所有的密度泛函理论(DFT)计算进行材料工作室(版本8.0)的CASTEP Accelrys Inc .石墨烯表建模使用一定数量的石墨烯vortex, 72个原子组成,真空间距15一个。交换相关贡献的总电子能量经过Perdue-Burke-Ernzerhof (PBE)功能。截止550年能源电动汽车使用的是在所有的弛豫过程。k-point集所有的板是4×4×1。能量和力的优化的收敛标准0.02兆电子伏/ atom 0.05 eV / A,分别。mog是更换一个C原子由一个钼原子(原子配给钼的浓度1.4%)。纯石墨烯和mog的优化结构如图所示1。C₁C₂C₃用于标签周围的三个C原子中心C原子(Mo),分别。计算表明,债券拉长的长度从1.419的三个碳碳键1.921,1.930,1.926 Mo-C₁,Mo-C₂,Mo-C₃,分别。充电器在吸附H的变换₂分子和传感材料通过电子密度差的计算进行了研究。构造几何图形的态密度也调查研究H之间的交互₂分子和传感材料。

3所示。结果与讨论

首先,我们有钼原子与石墨烯之间的结合能计算表(E_必应)如下:E_必应=E_G+E_莫−E_Mo-G,在那里E_G,E_莫,E_Mo-G被定义为石墨烯的总能量与一个C空置,单一钼原子,分别和Mo-doped石墨烯(8]。计算结果显示,密苏里州的结合能Mo-doped石墨烯∼4.99 eV,指示Mo-doping的可能性。调查目标气体分子之间的相互作用和组合材料,一个H₂分子引入到系统中。有四种可能的几何构造的内在和Mo-doped石墨烯系统:H₂垂直于和并行X轴感应表面(V1和V2模式为石墨烯和模式M1和M2 Mo-doped石墨烯)。优化结果如图2。吸附能量(E_广告)建立了吸附模式计算以下方程: 在哪里E_{adsorbate-substrate}的总能量是adsorbate-substrate系统在平衡态和E_底物和的总能量是传感材料和吸附H₂目前,分别17]。最后吸附能量V1和V2−−0.056和0.048 eV,分别远低于那些M1 (−0.55 eV)和M2 (−0.57 eV)。吸附能的负值对应于一个稳定的吸附结构。类似的计算结果也发现研究H₂公司在Al-doped石墨烯和H₂年代Al-doped石墨烯表(18]。

我们可以看到数据2(一个)和2 (b),H₂A1和A2分子移动更远的模式比模式M1和M2的传感材料表面。优化结果表明,H的吸附₂没有显著的影响在本征石墨烯的结构变形。V1和V2的碳碳键的长度都略长是1.420。此外,债券的长度在H₂0.753分子仍然是作为独立的H₂分子,表明H₂不会直接与本征石墨烯表面交互。我们同意与宝贵的研究结果(19]。与本征石墨烯系统相比,Mo-C债券获得的初始结构与H₂垂直于掺杂表面被延长是1.927,1.977,和1.931 Mo-C1, Mo-C2, Mo-C3 M1(如图的模式2 (c)),分别。初始结构的H₂分子吸附在Mo-doped石墨烯在图所示S1。应该注意的是,我们发现最后优化几何构造模式的H₂吸附在Mo-doped石墨烯被放置的方向没有影响H₂分子。对H₂分子一起并行X轴感应表面,相应的值Mo-C1, Mo-C2,和Mo-C3债券是1.930,1.975,和1.931,分别。模式M1和M2,债券长度的H₂扩大从原来的0.735到0.857和0.858,分别。基于上述研究,可以看出,H₂分子与mog的互动更强。较大的伸长Mo-doped Mo-C债券和更高的吸附能的系统意味着H₂分子的化学键MoG表。不同的掺杂系统,H₂分子只显示内在的物理吸附石墨烯之间的范德华相互作用较弱(20.]。

然后,我们研究吸附H之间的电荷的积累₂和石墨烯系统变形电子密度的计算方法。在V1和V2的本征石墨烯模式,大多数电子积累站点分布在债券,如图S2。结果意味着债券内在石墨烯和H₂共价性质。之间没有明显的电荷积累H₂和石墨烯。然而,在模式M1和M2, H₂从掺杂石墨烯系统捕获电子,进一步证实了吸附H之间的绑定₂和Mo-doped石墨烯。我们可以看到在图3,H₂分子模式M1和M2增加0.28 0.29 e和e,分别。因此,Mo-dopant失去电子电荷的0.27和0.26 e模式M1和M2。其他费用主要来自于C的邻居。计算结果表明,化学吸附H₂模式M1和M2的分子将捕获电子掺杂石墨烯,同意与之前研究的结果(2,21]。

电子密度的状态(DOS)原始和Mo-doped石墨烯系统也研究更好地理解之间的交互H₂分子和传感材料(V1和M1模式),如图4。模式的计算结果V2和M2是如图S3和S4,分别。吸附剂的分子轨道中辨认超晶胞DOS,这意味着没有明显的H之间的杂交₂分子和内在的石墨烯片。计算结果进一步证明了H₂几乎没有影响石墨烯的状态,表明本征石墨烯呈现穷人传感性能到H₂(20.,22]。在M1和M2的掺杂系统,掺杂石墨烯的吸附状态显然是受到H₂分子。可以看到,材料的电子结构变化后很多H₂吸附在材料表面。pdo的计算(局部态密度)吸附H₂密苏里州,和C原子掺杂体系也是如图4 (b)和S4。吸附H₂分子显然与掺杂钼原子和碳原子的石墨烯片22- - - - - -24]。pdo的H₂也揭示了H₂在M1和M2不再是一个免费的价格相比图S3之间的直接交互,展示H₂分子和Mo-doped石墨烯。研究表明氢传感性能可以通过掺杂钼,增强和Mo-doped石墨烯材料的前景是一个有效的传感H₂分子。

4所示。结论

采用基于计算H之间的互动₂和石墨烯材料表明,H₂传感的行为可以高度增强石墨烯掺杂钼。H₂分子逃离原始石墨烯和更可能是内在上物理吸附石墨烯由于弱的范德华相互作用。相比之下,有明确的证据表明,H₂分子可以稳定地吸附在Mo-doped石墨烯较短的距离传感表面。电子结构的变化和轨道之间的杂交H₂和mog确认承诺H₂石墨烯掺杂的传感性质。因此,我们的工作提供了新的见解的设计基于Mo-doped石墨烯氢传感器。

数据可用性

图数据用于支持本研究的结果中包括补充材料文件。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(批准号51802109),科学技术研究项目的年轻专业人士湖北省教育部门(批准号Q20182903),重点支持专业黄冈师范大学(批准号2018 - 3),和中国的湖北省自然科学基金(批准号2013 cfb014)。

补充材料

补充材料包含四个主要人物。图S1:初始结构的H₂分子吸附在Mo-doped石墨烯有不同的取向。图S2:情节变形电子密度的V1和V2组合模式。的电子密度图S3:状态为H (DOS)₂石墨烯系统(V2)模式。的电子密度图S4:状态为H (DOS)₂-Mo-doped石墨烯系统(M2)模式与优先配置。(补充材料)

引用

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