【摘 要】
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本文基于密度泛函理论研究了石墨烯吸附性质,包括吸附过渡金属原子和掺杂石墨烯储存氢气。 石墨烯是由碳原子按六角晶格结构排布的碳单质,各个碳原子间连接非常柔韧,因而结构非常稳定。基于它的化学结构,石墨烯具有许多独特的物理和化学性质,比如高表面积,高导电性,高强度,容易修饰等。近来,石墨烯由于其巨大的表面和奇特性质吸引了很多的关注,越来越多的科研工作者对纯石墨烯和掺杂石墨烯储存小分子或者气体进行
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本文基于密度泛函理论研究了石墨烯吸附性质,包括吸附过渡金属原子和掺杂石墨烯储存氢气。 石墨烯是由碳原子按六角晶格结构排布的碳单质,各个碳原子间连接非常柔韧,因而结构非常稳定。基于它的化学结构,石墨烯具有许多独特的物理和化学性质,比如高表面积,高导电性,高强度,容易修饰等。近来,石墨烯由于其巨大的表面和奇特性质吸引了很多的关注,越来越多的科研工作者对纯石墨烯和掺杂石墨烯储存小分子或者气体进行着理论和实验上的研究。而密度泛函理论就是一种很有效的研究电子结构的理论方法。 我们首先介绍了密度泛函理论的发展过程及其理论框架。量子力学创立之初只能计算最简单的氢原子,几年之后E. A. Hylleraas和D. R. Hartree才分别利用变分方法和自洽场方程来计算出了氦原子的基态；随后V. Fock改良了D. R. Hartree的自洽场方法提出了著名的哈特利-福克方法,这种方法是很多现代电子结构计算方法的原型；20世纪60年代密度泛函理论创立,由于其计算精度较高并且计算量适中已经成为计算化学、材料模拟领域中最重要的理论方法之一 第三章我们基于第一性原理方法系统地研究了15种过渡金属原子吸附在石墨烯不同位置（桥位、顶位、穴位）的结构,吸附能,态密度和磁矩等。我们的研究表明：当过渡金属原子吸附在桥位和顶位的时候,石墨烯的变形比较明显；这种吸附能主要来自于吸附原子和石墨烯的电子轨道杂化；金属原子的最稳定吸附位可以表征吸附质和石墨烯的化学键；半满d壳层过渡金属原子和金,银,锌有比较小的吸附能；金属原子吸附在石墨烯后磁矩减少主要因为不同原子间电荷转移和同种原子的电子在不同轨道转移。 在第四章中我们提供了一种储氢系统可以达到储氢密度60g/L,这个密度高于现有常见的高压储氢罐的储氢密度,39g/L。我们计算使用的这种钛原子嵌入双空石墨烯的超晶胞可以储存8个氢分子,所有的氢都以分子形式存储而没有发生解离。这种储氢媒介的态密度表明在钛原子,氢气和双孔石墨烯之间没有发生电荷转移,这种吸附系统非常适合作为可逆储氢系统。 第五章我们对我们的现有的工作进行了一个总结,对以后的工作进行了展望。
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