第一性原理研究掺杂金属石墨烯对NH3的吸附特性

• 作 者: 孙尧
• 出 处: 华北电力大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 金属掺杂石墨烯 NH3 吸附

燃煤电厂产生的氮氧化物是引起大气污染的主要原因,我国十三五规划将氮氧化物作为约束性指标,而一氧化氮是氮氧化物的主要成分,占比超过百分之九十。为了研发出可适应更多温度范围的NH₃-SCR催化剂,众多研究者投身于对新型低温NH₃-SCR催化剂的开发。本文应用第一性原理的研究方法,采用量子化学计算方法以及密度泛函理论（DFT）,研究了Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu六种金属原子掺杂在十种石墨烯衬底上的六十种结构对NH₃的吸附特性,揭示了不同石墨烯衬底与金属原子种类对吸附特性的影响。构建的模型为:六种金属掺杂在单缺位（SV）、双缺位（DV）、单缺位氮原子修饰（SVN、SVN2、SVN3）、双缺位氮原子修饰（DVN、DVN2-13和DVN2-14、DVN3、DVN4）的六十种结构。根据计算所得的吸附能、吸附结构参数、Bader电荷、电荷密度差分图和态密度来进行分析,结果表明:（1）Ti、Cr、Fe、Co、Ni、Cu六种金属掺杂石墨烯衬底主要是金属原子的3d轨道与石墨烯衬底进行作用,金属原子作为电子供体,石墨烯衬底作为电子受体。电子转移和杂化作用协同加强了金属掺杂。金属原子掺杂在石墨烯衬底中的结合能越大,掺杂越稳定,Ti原子掺杂的结合能最大。（2）金属掺杂石墨烯增强了石墨烯对NH₃的吸附能力。金属原子种类和衬底结构对吸附能影响显著,六十种结构中,Ni和Cu掺杂的石墨烯结构中双缺位体系对NH₃的吸附均为物理吸附,Ti、Cr和Fe原子掺杂的石墨烯十种衬底对NH₃表现了良好的吸附能力。（3）金属掺杂石墨烯体系吸附NH₃分子过程中,金属原子和NH₃分子均作为电子供体,石墨烯衬底作为电子受体。态密度分析表明金属原子与NH₃分子之间的相互作用并不是来自于原子之间的杂化,主要是电子的转移作用。本文研究结果揭示了金属原子种类及衬底的差异对吸附NH₃分子性能的影响,筛选出合适的金属掺杂石墨烯体系作为NH₃的吸附剂,从而为更好地设计低温金属掺杂石墨烯NH₃-SCR催化剂提供理论依据。