黑磷烯作为一种新型二维材料,具有诸多优异的机械特性、电子学特性和光电特性,自从2014年由实验制备出来它便立即成为各个学术领域研究的焦点。研究人员对这种新型二维黑磷材料在半导体器件、光电器件以及锂离子电池电极方面的应用进行了广泛研究。此外,作为一种二维材料,黑磷烯具有很高的表面积体积比,在气体吸附和传感方面具有天然优势。本文利用基于密度泛函理论的VASP(ViennaAb-initio Software Package)软件包对氢气(H2)及一氧化碳(CO)在黑磷烯基材料上的吸附特性进行了第一性原理研究。重点研究了金属锂(Li)修饰黑磷烯的氢储存特性以及各种金属原子修饰对H2和CO吸附特性的影响。本文的主要研究内容和所取得的研究结果如下:(1)首先对H2分子在纯黑磷烯上的吸附进行了计算。H2与黑磷烯之间的相互作用非常微弱,每个H2分子吸附能只有0.06eV,无法保证在环境条件(Ambientconditions)下维持稳定吸附。通过在黑磷烯上进行金属Li修饰,H2分子的吸附能明显增大到0.20eV以上,并且每个Li原子周围能有效吸附3个H2分子。Li原子在黑磷烯上束缚能为2.17eV,明显大于体型锂中Li原子的内聚能,从而能够避免修饰的Li原子之间形成团簇。借助态密度和Barder电荷分析,本文详细讨论了 Li与H2分子之间相互作用的机理,H2σ键态与Li的2s和2p轨道之间有较强耦合作用。通过增加黑磷烯上金属Li修饰密度到25%,得到了适合应用于氢储存的媒介材料,其储氢效率为4.4 wt%。(2)本文还考虑了各种金属原子在黑磷烯上修饰对H2吸附的影响,由于镧系金属元素具有相似的化学和物理性质,只考虑了其中金属镧作为代表。选用公认的能量“窗口”0.20～0.60eV作为H2吸附能筛选标准,得到对H2具有合适大小吸附能的9种金属:Li、Sc、Ti、Cu、Y、Zr、Rh、Pd和La。基于上述金属修饰黑磷烯继续进行H2分子吸附,得到其中Li、Sc、Ti、Y、Zr和La每个原子周围分别能有效吸附3、4、4、4、3和5个H2。这几种金属原子不仅对H2有合适的吸附能而且具有可观的吸附量,可用作黑磷烯上氢储存修饰金属。并且选择各类金属中具有代表性的原子对金属在黑磷烯上吸附特性及金属与H2之间的相互作用机理进行了分析。(3)考虑到CO与金属之间相互作用较强,从而弱化修饰在黑磷烯上的金属与衬底之间的结合,在进行CO吸附的时候要求所有修饰金属的束缚能大于其内聚能。满足这一条件的金属只有Li、Na、K、Rb、Cs、Ca、Sr、Ba、Pd和La。除Rb、Cs、Pd之外的金属对CO的吸附能都能保证吸附结构在环境条件下保持稳定,且每个金属原子周围能有效吸附3～6个CO分子,可以用作CO毒气祛除。其中Li、Na、K、Ca、Sr、Ba修饰的体系对CO平均吸附能在0.20～0.60eV之间,有望用于CO存储。