石墨烯纳米孔分解分子的调控机制研究

Photosynthesis is an effective way to convert and store solar energy in nature, and avoid environmental pollution. Mimic photosynthesis for the development of clean energy materials will help to solve environmental problems such as haze. This project will study the biophysics mechanism that different atoms functional graphene nanopores dissociate molecule and separate the products, using the use the combination methods of the first-principles calculations and the experiment verification. The aim of this project is to simulate the biofilm in the photosynthesis, and realize the dissociation and separation processes. Our preliminary results indicate that graphene ordered nanopores can realize these processes that reduce the reaction barrier of molecular bond dissociation and effectively separate the products spatially through a novel nano-pulling effect. This project will study the mechanism of the nano-pulling, and the controlling mechanism that different atoms functional graphene nanopores dissociate molecule and separate the products. This project will further explore the mechanism of effective method how to controlling molecular dissociation and products separation using the electric or magnetic fields. Then the theory model of controlling these processes will be set up. At last, this theory model will be tested through grahpene experiment. This research will help to further reveal the biophysical mechanism of photosynthesis at atomic and molecular level. This may open up new effective avenues for the designs of energetic material and clean energy material of biomimic photosynthesizer to use solar energy.

光合作用是生物转化存储太阳能的有效方式，对环境无污染。模仿光合作用，开发清洁能源材料，有助于解决雾霾等环境污染问题。本课题拟运用第一性原理计算和实验检验相结合的方法，来研究石墨烯纳米孔分解分子和隔离生成物的调控机制，以模仿光合作用中的生物膜，同时实现分解和隔离这两项功能。前期研究发现，石墨烯纳米孔可以通过纳米拉力效应同时实现分解分子和隔离生成物这两项功能。本课题要深入研究纳米拉力效应的形成原因，以及不同原子修饰的纳米孔对分解分子和隔离产物的影响机制。并进一步探索电场或磁场对纳米孔分解分子和隔离产物的调控机制，以建立对该过程的人工调控理论模型。最后，利用石墨烯薄膜材料的实验来检验调控理论模型。研究成果将有助于从原子分子层次上,深入揭示光合作用的生物物理机制，为设计含能材料和模仿光合作用的清洁能源材料开辟新的有效途径。

光合作用是生物转化存储太阳能的有效方式，对环境无污染。模仿光合作用，开发清洁能源材料，有助于解决雾霾等环境污染问题。本项目系统地研究了二维纳米薄膜石墨烯纳米孔分解分子、断裂氢氧键或碳氢键等原子键的机制。发现金属钛原子嵌入氮掺杂石墨烯纳米孔薄膜可以断裂水分子的氢氧键，钛原子是电子转移通道，并产生明显的磁性，有利于氢氧键的断裂，显著减少水分子分解的势垒，以用来制取氢气，是一种清洁能源材料。其它纳米结构分解水分子等小分子的研究进展顺利，相关研究成果会陆续发表出来。实验上，基于本课题的研究成果，联合实验课题组正在开展利用有机纳米材料分解小分子的验证性试验，来检验理论预测的可行性。在原子分子层次上,揭示了石墨烯纳米结构分解分子的微观机制，为设计含能材料和模仿光合作用的清洁能源材料开辟新的有效途径。此外，研究了五边形石墨烯，首次提出“原位质子转移”的概念。该纳米结构，可作为单原子纳米磁性开关，用于纳米机电设备。钛原子掺杂石墨烯纳米薄膜对甲醛分子敏感，并具有适当的结合能和超短的恢复时间，可用于设计检测甲醛有害气体的仅有1纳米厚度的柔性薄膜。. 项目执行期间，已发表标注本项目资助的SCI检索的期刊论文9篇，其中包括Carbon 1篇，Applied Surface Science 2篇，被Chinese Physics B期刊编辑部标记为编辑推荐文章 1篇，在吉林大学新闻网站报道的SCI文章1篇。还有多篇文章在投。项目负责人在国际学术会议上做邀请报告一次,做墙报展示一次；获得了吉林大学优秀硕士学位论文指导教师奖。指导学生获得研究生国家奖学金2人，吉林大学优秀硕士学位论文1人。本项目组会继续在绿色新能源和仿生材料领域深入研究，期待更好的研究成果。