外加电场对二维材料复合物结构及电子性质调控的第一性原理研究
发布时间：2021-07-07 16:16
近年来,随着石墨烯的成功制备,其优异的物理、化学性能吸引了无数人的目光,类石墨烯二维材料也因而成为了国内外的热门研究领域。其中,利用非共价作用对其进行改性及设计（类）石墨烯基二维材料复合物引起了科研人员的广泛关注。本论文采用密度泛函理论方法,对石墨烯和过渡金属硫化物等二维材料及其复合物的结构和电子性质进行了研究,主要考察了外加电场对不同体系结构和性质的影响规律。论文研究内容主要包括以下几个方面:（1）利用密度泛函理论（DFT）对离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐（[EMIM][BF4]）在石墨烯表面上的吸附行为进行了研究,着重探讨了外加垂直电场(-0.2至0.5 V?-1)对复合体系的结构及电子性质等的影响规律。计算结果表明,[EMIM][BF4]与石墨烯片层之间由非共价作用结合在一起,并且主要因为π-π堆叠效应而稳定存在;外加正电场能增强石墨烯和离子液体间的相互作用,并能对复合体系的能带结构和电荷转移等电子性质进行有效调控。因此,外加电场的调控是一种拓宽石墨烯-离子液体复合结构应用领域的有效手段。（2）采用类似的...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：49 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同维度的碳材料
青岛大学硕士学位论文12图3.2[EMIM][BF4]在石墨烯表面最稳定吸附构型的俯视图（a）和侧视图（b），（c）[EMIM][BF4]在石墨烯表面吸附后与底面原子之间的关键距离，（d）吸附前[EMIM][BF4]的分子内氢键图，（e）[EMIM][BF4]在石墨烯表面吸附之后的分子内氢键图。灰色、深蓝色、白色、绿色和粉色分别表示碳、氮、氢、氟和硼原子。阴阳离子之间的共同作用主要来源于静电相互作用和氢键的存在。如图3.2（d、e）所示，[EMIM][BF4]吸附在石墨烯底面上之后，阴阳离子的相对位置较吸附之前（即处于游离状态时）相比发生了十分明显的变化，因此分析[EMIM]+与[BF4]-之间的氢键在吸附前后发生的变化情况就显得格外重要。[BF4]-与[EMIM]+之间的复杂的相互作用使得阴离子位于与咪唑环中的与两个氮原子相连的氢原子的同侧，并且三个氟原子同时指向表面。这种吸附构型可以增强[EMIM][BF4]与底面之间的非共价键合作用，从而使复合材料的稳定性也随之增强。当[EMIM][BF4]在对石墨烯进行吸附之后，阴阳离子同时与石墨烯底面发生作用，使相对位置发生变化，导致原本的部分分子内氢键断裂并产生了新的分子内氢键。根据Kundu等人的研究结果，我们可以推断
青岛大学硕士学位论文13本章节中设计的这种石墨烯-[EMIM][BF4]复合物或许也可以用作特异性识别部分金属离子的选择传感器材料[36]。表3.1电场作用下的[EMIM][BF4]与石墨烯表面之间的关键距离Electricfield(V-1)Distance()CationAniona1a2a3a4b1b2b3-0.22.5342.8812.9872.6353.0663.1643.045-0.12.5132.9052.9882.6363.0233.0662.99602.5332.9423.0212.6373.0023.0162.9450.12.5362.9523.0182.6482.9622.9932.9160.22.5462.9693.0242.6462.9552.9672.8940.32.5783.0163.0192.6632.9372.9552.8620.42.6253.0253.0322.6952.8892.9732.8040.52.6683.0313.0622.7262.8892.9442.810表3.2电场作用下的[EMIM][BF4]吸附在石墨烯表面后的分子内氢键长度Electricfield(V-1)Distance()abcde-0.22.9212.3112.3051.8622.720-0.12.8472.2682.3121.8472.75102.7812.2532.3081.8422.7410.12.7422.2132.3361.8332.7660.22.7322.1942.3471.8282.7670,32.7402.1532.3931.7982.7830.42.5422.0982.5441.7822.9230.52.4402.0492.6791.7603.050图3.3（a）[EMIM][BF4]在石墨烯表面上吸附时，与底面原子之间的关键作用距离随电场变化的趋势图。（b）[EMIM][BF4]吸附在石墨烯表面上时，分子内部氢键随电场变化的趋势图。
本文编号：3269952
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：49 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同维度的碳材料
青岛大学硕士学位论文12图3.2[EMIM][BF4]在石墨烯表面最稳定吸附构型的俯视图（a）和侧视图（b），（c）[EMIM][BF4]在石墨烯表面吸附后与底面原子之间的关键距离，（d）吸附前[EMIM][BF4]的分子内氢键图，（e）[EMIM][BF4]在石墨烯表面吸附之后的分子内氢键图。灰色、深蓝色、白色、绿色和粉色分别表示碳、氮、氢、氟和硼原子。阴阳离子之间的共同作用主要来源于静电相互作用和氢键的存在。如图3.2（d、e）所示，[EMIM][BF4]吸附在石墨烯底面上之后，阴阳离子的相对位置较吸附之前（即处于游离状态时）相比发生了十分明显的变化，因此分析[EMIM]+与[BF4]-之间的氢键在吸附前后发生的变化情况就显得格外重要。[BF4]-与[EMIM]+之间的复杂的相互作用使得阴离子位于与咪唑环中的与两个氮原子相连的氢原子的同侧，并且三个氟原子同时指向表面。这种吸附构型可以增强[EMIM][BF4]与底面之间的非共价键合作用，从而使复合材料的稳定性也随之增强。当[EMIM][BF4]在对石墨烯进行吸附之后，阴阳离子同时与石墨烯底面发生作用，使相对位置发生变化，导致原本的部分分子内氢键断裂并产生了新的分子内氢键。根据Kundu等人的研究结果，我们可以推断
青岛大学硕士学位论文13本章节中设计的这种石墨烯-[EMIM][BF4]复合物或许也可以用作特异性识别部分金属离子的选择传感器材料[36]。表3.1电场作用下的[EMIM][BF4]与石墨烯表面之间的关键距离Electricfield(V-1)Distance()CationAniona1a2a3a4b1b2b3-0.22.5342.8812.9872.6353.0663.1643.045-0.12.5132.9052.9882.6363.0233.0662.99602.5332.9423.0212.6373.0023.0162.9450.12.5362.9523.0182.6482.9622.9932.9160.22.5462.9693.0242.6462.9552.9672.8940.32.5783.0163.0192.6632.9372.9552.8620.42.6253.0253.0322.6952.8892.9732.8040.52.6683.0313.0622.7262.8892.9442.810表3.2电场作用下的[EMIM][BF4]吸附在石墨烯表面后的分子内氢键长度Electricfield(V-1)Distance()abcde-0.22.9212.3112.3051.8622.720-0.12.8472.2682.3121.8472.75102.7812.2532.3081.8422.7410.12.7422.2132.3361.8332.7660.22.7322.1942.3471.8282.7670,32.7402.1532.3931.7982.7830.42.5422.0982.5441.7822.9230.52.4402.0492.6791.7603.050图3.3（a）[EMIM][BF4]在石墨烯表面上吸附时，与底面原子之间的关键作用距离随电场变化的趋势图。（b）[EMIM][BF4]吸附在石墨烯表面上时，分子内部氢键随电场变化的趋势图。
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