石墨烯氧化物化学传感器的理论研究

石墨烯纳米材料表现出特异的光、电和磁等方面的性能，使得它在纳米电子学和传感器等方面具有潜在的应用，受到实验和理论科学家们的高度关注。使用石墨烯等低维纳米材料进行分子探测，是纳米技术的一个前沿领域。石墨烯氧化物作为一种高性能的化学传感器材料，不仅具有好的导电性，其表面上的含氧官能团还能够提供与分子作用的化学活性点，增强气体分子的吸附，实现材料对单原子和分子的探测。从原子和分子水平上研究石墨烯氧化物与气体分子的相互作用存在一定的困难和挑战。应用第一性原理密度泛函计算，研究二氧化氮、氨和甲醇等气体分子在石墨烯氧化物和金属纳米粒子掺杂的石墨烯氧化物表面上的吸附行为，计算分子-底物材料复合体稳定的几何结构和电子性质，考查气体分子掺杂对石墨烯氧化物纳米材料导电性的影响，确定含氧官能团在传感器材料中所起的作用。该研究能够为实验上理解石墨烯氧化物的化学传感机制和设计新型传感器材料提供有益的理论基础。

石墨烯纳米材料拥有新颖的物理和化学性质，能够作为高性能的化学传感器材料，实现对单原子和分子的探测。然而纯的石墨烯缺乏足够的化学活性位点和一定大小的带隙，限制了它在纳米电子学和传感器上的应用。还原的石墨烯氧化物电导率能够恢复到较高的数值，重要的是提供了与分子相互作用的化学位点，在设计新颖化学传感器上具有潜在的应用。通过系统的第一性原理计算，本项目研究了氮氧化物、氨和丙烷等气体分子在石墨烯氧化物（GO）和Pd修饰的GO上的吸附和反应行为以及功能化底物的弱相互作用对石墨烯基材料的电子和磁性质影响，计算了分子-底物材料复合体稳定的几何结构和电子性质，考查了气体分子掺杂对石墨烯氧化物纳米材料导电性的影响，确定了含氧官能团在传感器材料中所起的作用，阐明了GO有效探测气体分子的机理。主要工作结果包含：.1、石墨烯氧化物表面上的羟基和环氧等含氧官能团以及附近的碳原子能够提供活性位点，与氮氧化物和氨气体分子相互作用形成氢键和共价键，提高分子的吸附和增强分子和材料间的电荷转移，从而提高石墨烯对NH3的探测能力；2、吸附的氨分子能够在GO表面上进行解离成NH2和NH物种，进一步还原表面的氧化官能团成水，反应的能量和动力学行为取决于氧化物种和它们的原子排列。而丙烷分子在GO表面含氧官能团的催化下能够进行氧化脱氢成丙烯，应用垂直石墨烯层的外加电场通过扩散方式容易调控含氧官能团的位置；3、Pd原子或团簇通过Pd....O配位键或Pd–O共价键可以强烈结合在GO表面上，底物与Pd的强烈结合作用有效地修饰了金属的d带中心，提高了氮氧化物分子在rGO上的吸附。吸附的NO2和NO3显示了对Pd-GO复合体的空穴掺杂，而吸附的NO取决于吸附位置既可显示空穴掺杂也可显示电子掺杂，从而修饰了材料的电导行为；4、氢化和氟化的六角型硼氮和石墨烯纳米带底物通过弱相互作用能够调控石墨烯基纳米材料的电子和磁性质，甚至可以打开石墨烯的带隙。本项目的研究能够为实验上理解石墨烯氧化物的化学传感机制和设计新型传感器材料提供有益的理论基础。