改性石墨烯对化学毒剂分子的吸附性质研究

Spills of chemical warware agents can create extreme hazards. Therefore, the decontamination of this chemical warfare agent becomes a major challenge for researchers, and continues of national security interest. .As a new type of carbon-based materials, graphene, in particular, its fascinating adsorption properties has attracted tremendous interest. However, the molecules interact weakly with intrinsic graphene. Therefore, modification on intrinsic grphene should be carryed out to strengthen the gas molecules adsorption on graphene-based materials. In this project, the adsorption mechanisms of chemical warware agents on modified graphene, including various transition metals (Pt, Fe, Co, Ni) embedded, Stone-Wales (SW) defects, and a combination of these two, will be investigated by first-principles density functional theory. By calculations of the adsorption energies, Mulliken charge population, energy band and density of electronic states, detailed analysis of adsorption stability, the charge transfer, chemical bonding of these system will be explored. The implementation of this project will provide guidance for effective adsorbent and protection against these chemical warware agents.

寻找安全、有效的吸附材料从而达到对化学毒剂的有效识别、清除、防护是众多科研工作者努力的方向和目标。.石墨烯基纳米材料在吸附方面具有独特的优势，是一种理想的吸附材料。而理想石墨烯对分子的吸附一般为较弱的物理吸附，我们必须对理想石墨烯进行改性，从而实现其优异的吸附性能。本项目基于第一原理密度泛函理论，利用过渡金属（Pt、Fe、Co、Ni）及Stone-Wales缺陷对石墨烯进行改性后，实现体系对化学毒剂（芥子气、沙林、梭曼）的吸附作用。通过计算各种吸附情况下的吸附能、电荷分布、能带、态密度等相关性质，探讨体系吸附稳定性、电荷转移、成键等内在微观机制。项目的开展有利于明确和理解毒剂分子在石墨烯基纳米材料上的吸附作用，并将为制备安全、有效的化学毒剂防护系统提供理论依据。

利用基于第一原理的密度泛函方法，系统研究了不同原子修饰石墨烯电子结构及其对石墨烯吸附性质的影响。研究发现在石墨烯上引入Pt原子修饰可有效提高硫芥子气分子同石墨烯的相互作用，硫芥子气与Pt原子之间形成了电偶极子，并且电子从S→Pt→石墨烯基底发生了转移；探讨了单个S原子和两个S原子掺杂石墨烯的几何结构和电子结构，S原子掺杂导致S-C之间形成化学键，石墨烯费米能级升高并向导带移动，电荷从S转移到石墨烯；研究了Pd、Fe、Co、Ni原子在石墨烯表面的掺杂和吸附作用，给出了最稳定的吸附位置，电子从金属原子向石墨烯转移,态密度分析表明，金属原子与石墨烯基底之间存在较强相互作用；同本征石墨烯相比，Fe原子修饰可明显增强石墨烯对氨气的吸附作用。在石墨烯体系中引入Fe原子后，密立根电荷重新分布，Fe原子中的电子向石墨烯平面和氨气分子转移， Fe原子与氨气中N原子和石墨烯中的C原子存在明显相互作用，从而导致吸附增强。我们的研究结果为化学毒剂的有效吸附和防护提供了理论依据。