石墨烯吸附甲烷的第一性原理研究
石墨烯复合材料的制备及对环境污染物的吸附性能研究
石墨烯复合材料的制备及对环境污染物的吸附性能研究焦晶晶;何丽君;崔文航;刘建平;郑利梅【摘要】石墨烯(Graphene,G)是由类似苯环结构组成的蜂窝状二维晶形结构,具有大的比表面积和共轭体系,是一种优良的吸附剂.但G化学稳定性极好,几乎不溶解;另外,层与层之间强大的π-π共轭作用,致使其易在水或有机溶剂中发生聚集,不利于其本身特性的展现.将G与其它材料复合,不仅可以改善G的分散性,而且可以赋予复合材料一些新的特性.该文综述了近年G复合材料的制备方法及其作为吸附剂在吸附环境污染物中的研究进展,对吸附机理进行了简述,并对G复合材料作为吸附剂的发展趋势进行了展望.%Graphene(G) is an efficient adsorbent in many fields,which composes of a two-dimensional monolayer with a honeycomb-like aromatic structure.It possesses a great specific surface area and a huge π-π conjugated system.However,the stable chemical property,indissolubility with s olvents and the strong π-π interaction between the layers,lead to the irreversible agglomerates of G in aqueous solution and restrict its further application.G could be composited with some other materials such as polypyrrole,polymeric ionicliquids,Fe3O4@SiO2,etc.G composites could not only improve the dispersion of G in solution,but also give some novel characteristics to the composites.In this paper,the preparation of G composites by chemical or physical methods was summarized.The adsorption performances of G composites as adsorbents for environmental pollutants including pesticide residues,benzene derivatives,organic dyes and heavy metal ions wasreviewed.Besides,the future development trends of G composites as adsorbents were also discussed.【期刊名称】《分析测试学报》【年(卷),期】2017(036)009【总页数】8页(P1159-1165,1170)【关键词】石墨烯复合材料;吸附剂;制备;环境污染物;综述【作者】焦晶晶;何丽君;崔文航;刘建平;郑利梅【作者单位】河南工业大学化学化工与环境学院,河南郑州450001;河南工业大学化学化工与环境学院,河南郑州450001;河南工业大学化学化工与环境学院,河南郑州450001;河南工业大学化学化工与环境学院,河南郑州450001;河南工业大学化学化工与环境学院,河南郑州450001【正文语种】中文【中图分类】O647.32;TB332近年，环境污染事件屡见不鲜，引起了越来越多的关注。
一些纳米材料的第一性原理研究共3篇
一些纳米材料的第一性原理研究共3篇一些纳米材料的第一性原理研究1一些纳米材料的第一性原理研究纳米材料具有很高的表面积与量子效应，因此其物理化学性质与宏观材料存在很大差异。
纳米材料长期以来一直是研究的热点领域，而第一性原理计算是研究纳米材料的有效手段之一。
本文将介绍一些纳米材料的第一性原理研究进展。
一、金属纳米材料金属纳米材料（nanoparticle）是指直径小于100纳米的金属粒子。
由于尺寸效应，金属纳米材料的性质和普通金属材料有很大不同。
例如，金属纳米材料的表面能远高于体能，因此具有较大的表面活性；金属纳米材料的电磁性质受畸变效应的影响，表现出很强的荧光性和拉曼散射性等特殊性质。
第一性原理计算可用于解释金属纳米材料的这些特殊性质。
例如，研究表明，金纳米粒子中的电子受到电磁场的限制，因此显示出金的长波长表面等离子体共振（plasmon resonance）吸收峰。
此外，金属纳米材料表面的电子损失谱（EELS）发现了一些与晶界和表面纳米结构相关的现象，例如局部表面等离子体激元的出现。
二、半导体纳米材料半导体纳米材料（nanocrystal）是由几十到几百个原子组成的材料，填满一些晶格缺陷形成的结晶。
它们通常由硫化物、硒化物或氧化物制成，具有量子效应、高表面积、大比表面积和远超其体材料的激子弛豫能。
第一性原理计算研究了半导体纳米材料的物理化学性质，例如电子结构、能带结构和局部密度等。
研究表明，半导体纳米材料的能带宽度与尺寸大小直接相关。
此外，在半导体纳米材料中，表面态和缺陷态对电子输运有显著影响；表面缺陷限制了电子的移动，降低了电荷载流子的扩散。
因此，对于半导体纳米材料中的表面缺陷进行修饰或去除是改善其性能的有效方法。
三、碳基纳米材料碳基纳米材料是由纳米碳分子组成的材料，包括纳米管、碳纤维、石墨烯等各种形式的纳米碳材料。
碳基纳米材料具有独特的物理化学性质，例如热稳定性、导电性、强度高、柔韧性好等。
石墨烯掺杂的研究进展
石墨烯掺杂的研究进展一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列形成的二维纳米材料，自2004年被科学家首次成功制备以来，其独特的物理、化学和机械性能引起了全球科研人员的广泛关注。
作为一种理想的掺杂材料，石墨烯的掺杂研究对于调控其电子结构、优化其性能以及拓展其应用领域具有重要意义。
本文旨在对石墨烯掺杂的研究进展进行全面的概述和总结，旨在为读者提供关于石墨烯掺杂技术的最新发展、挑战以及未来趋势的深入理解。
本文首先简要介绍了石墨烯的基本性质和应用潜力，然后重点综述了近年来石墨烯掺杂的主要研究方法和取得的重要成果。
我们关注不同掺杂元素（如B、N、P等）对石墨烯电子结构和性能的影响，同时也探讨了掺杂石墨烯在能源、电子、生物医学等领域的应用进展。
我们还对石墨烯掺杂研究中存在的问题和挑战进行了讨论，并对未来的研究方向进行了展望。
通过本文的阐述，我们期望能够为读者提供一个清晰、全面的石墨烯掺杂研究图景，为相关领域的科研人员和工程师提供有价值的参考和启示。
我们也期望能够激发更多的科研工作者投入到石墨烯掺杂研究的热潮中，共同推动这一领域的发展和创新。
二、石墨烯掺杂的理论基础石墨烯，作为一种二维的碳纳米材料，自其被发现以来，便因其独特的电子结构和物理性质引起了科研人员的广泛关注。
然而，纯净的石墨烯在某些应用场景中可能并不满足性能需求，因此，通过掺杂调控其电子结构和性质成为了研究的热点。
掺杂是指通过引入外来原子或分子，改变原有材料的电子结构，从而调控其物理和化学性质。
在石墨烯中，掺杂可以通过替代、间隙或表面吸附等方式实现。
替代掺杂是指外来原子取代石墨烯中的碳原子，间隙掺杂则是外来原子填充在石墨烯的层间或晶格空隙中，而表面吸附则是指外来分子或原子与石墨烯表面发生相互作用。
掺杂对石墨烯的电子结构、电导率、光学性质等方面都有显著影响。
例如，通过n型或p型掺杂，可以调控石墨烯的载流子浓度，从而改变其电导率。
掺杂还可以引起石墨烯光学性质的改变，如吸收光谱的红移或蓝移。
第一性原理计算石墨烯综述
第一性原理计算综述引言理论计算模拟是除了实验方法外的另一种更好的探究和理解微观物质的内在机理和运动规律手段，对实验的相关结果也起重要的参考和补充作用。
对于纳米尺度上的理论研究，基于密度泛函理论的第一性原理计算是最为常见的方法之一。
第一性原理计算方法中不使用经验参数，只使用光速，电子质量，质子和中子的质量等少数物理参数，通过自洽迭代方法求解薛定谔方程来预测纳米材料的有关结构和特性。
第一性原理方法可以从电子轨道层面准确地模拟和预测材料特性。
同时，结合基于密度泛函理论的分子动力学模拟方法，基本上可以准确地判断和预测材料的结构特性。
这一过程只需要一个基于若干计算机的工作机群内，对大投资的传统实验开发是一个巨大的冲击。
虽然目前第一性原理计算方法的结果与完全精确地物性模拟还有一段距离，但是通过各种理论的修正，可以在一定程度上减小计算误差，提高预测的准确性，这也是目前第一性原理计算所采用的主要处理手段。
可以想象，随着第一性原理计算体系的逐渐完善，它必将作为一个不可缺少的科研工具，在纳米器件的工作平台上作为交互前端出现，承担大部分的设计与预测工作。
理论基础第一性原理计算资源TD-DFT应用实例Hubbard模型和VASP应用实例Hubbard模型是考虑固体中电子短程库仑排斥力的一种非常简化的模型。
这个简化的模型考虑了固体中运动电子量子机理，和电子间的非线性排斥作用。
Hubbard模型在物理的理论研究方面还是一个非常重要的模型。
尽管模型中物理表示非常简化，但却能反映出各种有趣的现象，如金属．绝缘体的相互转变，反铁磁体系，铁磁体系，流体和超导体。
本文中我们利用在紧束缚近似下的Hubbard 模型验证了第一性原理的结果。
计算所采用的软件是VASP，，它使用赝势和平面波基组来进行从头算量子力学分子动力学计算。
离子和电子的相互作用用投影缀加波(PAW)方法来描述。
电子的交换关联采用GGA-PW91泛函。
在计算哈密顿量时，将电子密度投影到实空间网格中进行积分，与网格密度对应的截断能取为450eV。
第一性原理在石墨烯的应用
第一性原理在石墨烯的应用介绍石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有许多独特的性质和潜在的应用。
为了进一步了解石墨烯的性质和探索其潜在的应用，科学家们使用第一性原理计算方法对其进行研究。
本文将介绍第一性原理在石墨烯中的应用，并探讨其对石墨烯研究和应用的影响。
什么是第一性原理计算方法？第一性原理计算方法是一种基于量子力学原理的计算方法，用于研究材料的性质和行为。
它基于薛定谔方程，通过求解系统的波函数来计算材料的电子结构和物理性质。
第一性原理计算方法不依赖于实验数据，只通过对材料原子和电子的基本物理原理进行计算，从理论层面上预测和解释材料的性质。
石墨烯的结构和性质石墨烯是一种具有二维晶体结构的材料，每个石墨烯层由碳原子组成，形成六边形的晶格结构。
石墨烯具有许多独特的性质，包括优异的电子传输性能，高载流子迁移率，高稳定性，以及优异的力学强度等。
这些性质使得石墨烯被广泛应用于电子器件、能源存储、传感器等领域。
第一性原理计算在石墨烯研究中的应用1. 电子结构计算第一性原理计算方法可以用于计算石墨烯的电子结构。
通过求解薛定谔方程，可以得到石墨烯中电子的能级分布、能带结构和导电性等信息。
这些计算结果可以帮助科学家们理解石墨烯的导电行为以及其它电子性质，为石墨烯的应用提供理论基础。
2. 力学性质计算除了电子结构，第一性原理计算方法还可以用于计算石墨烯的力学性质，如弹性常数、应力应变关系等。
这些计算结果可以帮助科学家们了解石墨烯的力学强度、柔韧性以及形变行为，为石墨烯的应用提供重要参考。
3. 缺陷和杂质石墨烯中可能存在缺陷和杂质，这些缺陷和杂质对石墨烯的性质和应用有着重要的影响。
第一性原理计算方法可以帮助科学家们研究石墨烯中的缺陷和杂质，并预测它们对石墨烯性质的影响。
这些计算结果可以指导石墨烯的制备和应用，以提高石墨烯的性能和稳定性。
4. 势垒高度和电子传输石墨烯中的势垒高度和电子传输是石墨烯中重要的性质，可以影响电子器件的性能。
氧化石墨烯纳米带能带结构和态密度的第一性原理研究
氧化石墨烯纳米带能带结构和态密度的第一性原理研究王伟华;卜祥天【摘要】The charge density, energy band structure, density of states and project density of states of graphene oxide nanoribbons were investigated using the first principle calculations based on densi-ty functional theory. The results indicate that the graphene oxide nanoribbons are an indirect band gap semiconductor with an energy gap of 0. 375 eV. The charge density is transferred among C, O and H atoms. The project density of states show that the localization and hybridization between C-2s, 2p,О-2p, H-1s electronic states are induced in the conduction band and valence band. The lo-calization is induced byО-2p electronic states at Fermi level. It plays a major role in improving the semiconductor luminescence effect of graphene oxide nanoribbons.%基于密度泛函理论,采用第一性原理方法,计算了氧化石墨烯纳米带的电荷密度、能带结构和分波态密度.结果表明,石墨烯纳米带被氧化后,转变为间接带隙半导体,带隙值为0.375 eV.电荷差分密度表明,从C原子和H原子到O原子之间有电荷的转移.分波态密度显示,在导带和价带中C-2s、2p,O-2p,H-1s电子态之间存在强烈的杂化效应.在费米能级附近,O-2p态电子局域效应的贡献明显,对于改善氧化石墨烯纳米带的半导体发光效应起到了主要作用.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2017(038)012【总页数】5页(P1617-1621)【关键词】氧化石墨烯纳米带;能带;分波态密度;第一性原理【作者】王伟华;卜祥天【作者单位】内蒙古民族大学物理与电子信息学院, 内蒙古通辽 028000;内蒙古民族大学物理与电子信息学院, 内蒙古通辽 028000【正文语种】中文【中图分类】O472.4;TB321石墨烯纳米带(GNRs)是当前研究领域中最新的研究材料之一，因为具有优良的电学和光学特性使其为制备高效的纳米电子器件提供了坚实的材料基础，引起了科学工作者的广泛关注[1]。
第一性原理方法及应用
第一性原理方法及应用
一、什么是第一性原理方法
第一性原理（First Principles）是物理学家及哲学家苏格拉底提出的概念，意思是“从最基本的事实或原理出发，通过一系列的推导，得出结论”。
因此，第一性原理方法也被称为“自底向上推导法”，从基本原理
出发，然后依次推导出更多的知识，解决问题。
第一性原理方法通常应用于物理和材料科学，以电子学为主，是一种以量子力学为基础的方法，它将量子系统描述为定性和量子能量。
它模拟量子力学系统的行为，忠实地描述材料的性质和结构，帮助科学家精确地计算它们的性质和性能。
二、第一性原理方法在现实应用
第一性原理方法在许多领域的研究中显得尤为重要，尤其是跨学科领域的复杂系统，比如计算材料物理、有机分子配位、石墨烯结构和功能、纳米材料表面活性性质等等。
例如，第一性原理方法可以被用来研究纳米结构的微观表面性能，从而改善热电材料的性能。
同时，它也可以用来模拟材料的复杂反应趋势，增强生物活性物质的生产效率，以及有效地合成高性能新材料。
研究者也可通过第一性原理方法将生物信号转换成可解释的材料动态，帮助人们开发新的药物和改进医疗设备。
三、未来的研究展望
第一性原理方法是一种优秀的著名的、整体的、量子力学的方法，它可以应用于多种物理和材料科学领域，如电子结构理论、体系模拟、材料性能设计等等。
在未来，第一性原理方法将在许多学科和领域中发挥更大作用，如生物仿生学、大气与海洋科学等，以及新兴领域，如人工智能和量子计算等。
这将意味着，第一性原理方法能够帮助科学家提升材料的性能，解决一系列实际问题，极大地推动物理学及材料学研究的发展。
第一性原理研究石墨烯在锂硫电池和钠离子电池中的应用
摘要摘要锂离子电池是现代科技的核心技术之一，锂离子电池具有很多优越性能，已在手机、移动充电器等便携式设备中得到了广泛的应用，此外，有望应用到电动汽车、航天航空等其它高新领域。
然而随着社会经济的发展，当前的锂离子电池已经无法满足市场的需求，人们对它的实用性要求越来越高，例如对它的功率、能量密度和充放电速率等性能的要求。
最近，锂-硫电池激起了很多研究者的兴趣，原因是硫具有巨大的比容量（1673 mAhg-1）。
此外，硫是丰富的、廉价的且环境友好的。
同时，锂-硫电）的低电导率（在25℃时的电导率为池的缺点也是明显的，包括长硫链（如S85x10-30 S cm-1）和多硫锂化物的高溶解率（多硫锂化物很容易溶解在电极溶液中，引起活性硫的损耗）。
这些问题限制了锂-硫电池的循环寿命，为了防止锂硫化合物在电解液中的溶解，目前，国际上实验研究主要集中在包含硫的复合碳纳米材料上，如介孔和微孔碳材料，石墨烯和氧化石墨烯，碳纳米管，碳纤维，和空心介孔相材料等。
虽然在不同类型的碳材料的探索上，大家付出了很大努力，但是对其中的微观机制，目前的理解还非常有限。
由于锂资源并不丰富，它的可利用性受到了很大限制。
随着锂离子电池的市场化，原材料价格也相应地提高了，导致成本明显提高。
最近，钠离子电池受到广泛关注。
钠离子电池与锂离子电池原理相似，钠资源丰富，钠离子电池被认为有希望部分代替锂离子电池。
实际研究中，国际上各研究团体发现找到合适的负极材料很困难，原因是钠离子的离子半径(~98-102 pm) 远大于锂离子的半径(76 pm)。
锂与石墨复合可形成稳定的嵌层化合物LiC6，因此石墨可作为一个很好的锂离子电池的负极材料，但是对于钠离子，与石墨复合仅可形成稳定的嵌层化合物NaC64，导致石墨只有~35mAh/g的电容量。
目前，实验上正在探索硬碳、软碳、膨胀石墨等碳材料，希望寻找一种优秀的钠离子负极材料。
在本论文中，针对上面提到的锂、钠离子电池中的两个问题，我们研究了（1）锂硫团簇与石墨烯及缺陷石墨烯的相互作用，（2）钠离子和钠离子团簇在石墨烯及缺陷石墨烯中的存储。
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２ 结 果 和 讨 论
收 稿 日期 ： Ｏ Ｏ １ － ７ ２ ｌ 一 ２０
基 金项 目： 国家 自然 科 学 基 金 （４ ７ ４ ７ ； 南 省 高 校 科 技 创 新 人 才 支 持 计 划 （０ ８ ６０６０）河 ２０ ＨＡＳ １ ０ ０ ＴＴ ３） 作 者 简 介 ： 宪 起 （９ ４ ）男 ， 南 南 乐 人 ， 南 师 范 大 学 教 授 ， 上 生 导 师 ， 戴 １６一 ， 河 河 博 主要 从 事 纳 米 材 料 及 表 ｌ物 理 的 研 究 直 『
料 结 构 和性能 的 改变 Ｊ 这说 明了杂质 的掺 杂可 以调 整碳 纳米 结构 的特性 和化 学敏 感度 ． ，
Ｇｅ 为微 电子 基 础 材 料 ， 与 碳 基 材 料 相 互 作 用 的研 究 在 制 作 电 子 传 感 器 件 方 面 有 重 要 的意 义． 作 它 Ａｋ ￣ ｋ等研 究 了 ｓ 和 Ｇｅ的吸 附对石 墨烯 性质 的影 响Ｌ ， ｔｒ ｉ ４ 发现 Ｓ ， 原子 的 吸附导致 石 墨烯 电子 结构 发 生 ｉＧｅ
关 键词 ： 石墨烯 ； ｌ Ａ 掺杂 ；ｉ ｓ 掺杂 ； 掺杂 ； Ｐ 吸附 ； 第一性 原理
中图分 类号 ：４２０７ ０７ ； ４ ４
文 献标志 码 ： Ａ
由于 结构 上 的完全 二维 特征 以及 良好 的导 电能 力 ， 墨烯 一经 被制 备 出来 就 立 刻 引起 了人 们 的广 泛 关 石 注［ ． １ 近来研 究 主要是 通 过不 同杂 质替代 碳原 子来 观察 石 墨烯 的结构 性 质 ， ］ 由于掺 杂 原 子 的存 在 ， 引起 碳 材
第３ ９卷
第 ５期
河南师范大学学报（ 自然科 学版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ Ｈｅ ａ ｒ ｌＵｎ ｖ ｒｉｙ（ ｔ ｒ ｌＳ ｉｎ ｅＥｄｉ ｏ ｒ ａ ｎ ｎ Ｎｏ ｍａ ｉ ｅｓｔ Ｎａｕ ａ ｃｅ ｃ ｔ ｎ） ｏ ｏ ｉ
Li
１ 引 言
锂离 子 电池 不 仅 应用 于 各 类 便 携 式 电 子设 备 ， 也 是 电动 汽车 电源 和新能源 储 能的潜 在选 择 。 目前 商业 化 的锂 离子 电池负 极材料 主要 是石 墨 。而石 墨 的理论
子 具有 与 ｃ原子 接 近 的原 子半 径 ， 可 以通过 取 代 的方 式对 石墨 烯进行 掺 杂 ］ ， 硼 氮掺 杂 可有效 地 提 高石 墨
墨烯 、 Ｂ Ｃ 。 、 Ｃ 。 Ｎ 表 面 的迁移 ， 结果表 明 ， 相 比 于本征 石
墨烯， 硼掺 杂 浓度 为 ２ ５ （ 原子 分 数） 的石 墨烯 减 弱 了
Ｉ ｉ 的扩散 ， 而 氮掺 杂 浓度 为 ２ ５ （ 原 子分 数 ） 的石 墨烯
促进 了 Ｌ ｉ的扩 散 。
同素异 形体 （ ２ Ｄ） ） 中 的嵌 入 和扩 散 行 为 ， 得 出 锂 在 石
墨炔 中需克 服 的势垒 在 ０ ． ５ ３ ～０ ． ５ ７ ｅ Ｖ 之 间 。多 层 石
关键 词 ： 锂离 子 电池 ； 掺 杂石墨 烯 ； 第一 性原 理 ； 吸 附
能： 扩 散
墨炔 中锂 的最高存 储 容 量可 达 Ｌ ｉ Ｃ ， 比石 墨 中最 高 存 储容量 Ｌ ｉ Ｃ 。 要 高 。这 些均 表 明 ， 掺杂石 墨 （ 烯） 储 Ｌ ｉ 能
Ｌ ｉ 原 子 以插 层方 式进入 类石 墨 Ｂ Ｃ 。 晶体 后形 成化 学计 量 比为 Ｌ ｉ ｚ Ｂ Ｃ 。 的化 合物 ， 储 锂 容 量 是 石 墨 的 ３倍 。 Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ等 口 阳 采用 第一性 原 理 研究 了锂 在 石 墨炔 （ 石 墨
石墨的吸附性能研究进展
石墨的吸附性能研究进展石墨是一种由碳原子构成的晶体物质，以其独特的结构和性质在吸附领域中得到广泛应用。
随着科学技术的进步和社会的发展需求，石墨的吸附性能研究也取得了长足的进展。
本文将从石墨吸附性能的研究背景、吸附机理理论和实验方法以及应用前景三个方面进行综述，旨在全面总结目前石墨吸附性能研究的进展和未来发展趋势。
石墨是由大量的平面六角环结构碳原子组成的材料，其层间结构中的π电子与其他物质间的相互作用形成了独特的吸附性能。
石墨的吸附性能主要表现在以下几个方面：一是物质分子在石墨表面的物理吸附能力，主要靠范德华力实现；二是石墨表面与物质分子之间的化学吸附，涉及氧化还原和配位反应等机制；三是石墨中的孔隙结构和表面的微观形貌对吸附性能的影响。
石墨的这些吸附性能使其在环境治理、催化剂载体、天然气储存和分离、能源储存等领域具有广泛的应用前景。
石墨吸附性能的研究得益于吸附理论的不断发展和实验技术的进步。
在吸附机理理论方面，虽然对石墨吸附性能的研究起步较晚，但目前已经建立了一套较为完善的理论框架。
其中，范德华力理论和密度泛函理论是石墨吸附性能研究的两个重要基石。
范德华力理论主要用于描述石墨与非极性分子之间的物理吸附作用，通过计算分子之间的范德华力相互作用能和石墨表面的结构参数，可以预测和解释吸附性能。
而密度泛函理论则能够从原子的电子结构入手，通过计算密度、能带和态密度等物理量来研究石墨与吸附分子之间的电子转移和化学反应。
这些理论的不断发展和完善为石墨吸附性能的深入研究提供了有力的理论支撑。
在实验方法方面，石墨的吸附性能研究主要采用吸附等温线、表面扩散、傅里叶变换红外光谱、扫描电子显微镜等技术手段。
吸附等温线实验是研究石墨的吸附性能的常用方法，通过测量吸附系统在不同温度和压力下的吸附量，可以绘制吸附等温线来描述吸附过程。
表面扩散实验可以研究石墨表面上吸附分子的扩散行为，揭示吸附过程中的动力学行为。
傅里叶变换红外光谱可以检测石墨表面与吸附分子之间的化学反应及吸附物种形成情况，为吸附机理的研究提供重要依据。
石墨烯气凝胶吸附污水中重金属离子研究的自然辩证法评述
石墨烯气凝胶吸附污水中重金属离子研究的自然辩证法评述1. 引言1.1 背景介绍目前，关于石墨烯气凝胶在污水处理中吸附重金属离子的研究已经取得了一些成果，但仍然存在一些问题亟待解决。
深入研究石墨烯气凝胶吸附重金属离子的机理以及优化其在污水处理中的应用是当下亟需关注的课题。
本文旨在系统评述石墨烯气凝胶在污水处理中吸附重金属离子的研究现状和进展，为进一步推动石墨烯气凝胶在环境保护领域的应用提供理论和实验依据。
1.2 研究目的研究目的是通过对石墨烯气凝胶在污水处理中重金属离子吸附能力的研究，探索其在解决水污染问题中的应用潜力。
具体来说，我们的研究旨在深入了解石墨烯气凝胶的制备方法和特性，探讨其在吸附重金属离子时的机制，通过实验方法验证其吸附性能，并评价其在环境友好性方面的表现。
通过这些研究，我们希望可以为开发高效、环保的污水处理技术提供理论基础和实践指导，同时为石墨烯气凝胶在环境治理领域的应用提供新的思路和方法。
通过这些努力，我们期待可以为实现清洁水资源的可持续利用做出贡献，推动环境保护事业的发展。
2. 正文2.1 石墨烯气凝胶的制备与特性分析石墨烯气凝胶是一种新型的多孔材料，具有极大的比表面积和优异的吸附性能。
其制备方法通常包括氧化石墨烯的超声剥离、凝胶化、高温热解等步骤。
在制备过程中，可以通过控制氧化还原反应和压实方式来调控气凝胶的孔隙结构和特性。
石墨烯气凝胶的特性分析主要包括表面形貌、结构、孔隙结构、比表面积等方面的研究。
通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等分析手段，可以观察到石墨烯气凝胶的微观形貌和结构特征。
通过氮气吸附-脱附等方法可以表征其孔隙结构和比表面积。
石墨烯气凝胶具有高比表面积、均匀的孔隙结构、优良的导电性和可控的化学活性等优异特性，这使其在污水处理中具有广泛的应用前景。
对石墨烯气凝胶的制备与特性分析研究具有重要的意义。
通过对石墨烯气凝胶的制备工艺和性能分析，可以为其在污水处理中的应用提供理论基础和技术支撑。
二维材料的生长机理与功能性设计的第一性原理研究共3篇
二维材料的生长机理与功能性设计的第一性原理研究共3篇二维材料的生长机理与功能性设计的第一性原理研究1随着科技和科学的发展，人们对于材料的需求越来越高。
而在这些材料中，二维材料因其在微观尺度上独特的性质而备受关注。
它们在电子、光学、力学等领域都具有很高的应用潜力。
因此，了解二维材料的生长机理以及如何对其进行功能性设计是非常重要的。
二维材料的生长机理是指控制其在微观尺度上的形态和结构的方法。
目前，人们已经开发出了许多方法来生长二维材料，如化学气相沉积法、机械剥离法、溶剂剥离法等。
其中化学气相沉积法是最常用的方法之一。
通过这种方法，可以在晶体衬底上生长出单晶的二维材料。
这种方法的成功率高，可以得到不同种类的二维材料。
但是，由于材料间作用的不同，不同的二维材料生长机理也是不同的。
因此，针对不同的二维材料，需要采用不同的生长方法。
同时，通过对二维材料的生长机理的研究，人们可以优化其性能，并进行功能性设计。
例如，在石墨烯的生长中，人们可以调整晶体生长的方向和控制其层数，从而实现石墨烯的电子结构和电学性能的调控。
在二硫化钼的生长中，人们可以控制其反应条件，从而改变其晶体结构和光学性能。
因此，生长方法的改进和功能性设计的实现可以大大提高二维材料的应用价值。
从第一性原理来研究二维材料的生长机理和功能性设计，是目前最为有效的方法之一。
第一性原理是一种计算方法，可以通过基本物理规律对物质的结构和性质进行精确计算。
通过第一性原理研究，人们可以得到材料的能带结构、电荷密度分布、晶胞构型、相变等信息。
这些信息不仅有助于了解材料的性质和性能，还可以指导实验研究，实现新材料的开发。
总之，在研究二维材料的生长机理与功能性设计方面，需要采用多种方法和手段。
通过理论计算和实验研究，我们可以更好地了解二维材料的性质和应用价值，为其应用提供更加坚实的理论基础和技术保障综上所述，研究二维材料的生长机理与功能性设计对于材料学的发展至关重要。
单层石墨烯表面钠原子吸附行为的第一性原理
单层石墨烯表面钠原子吸附行为的第一性原理孙闻;杨绍斌;沈丁;董伟【摘要】构建了3种典型的石墨烯吸附钠原子模型(NaxC72(1≤x≤7)),采用密度泛函理论对其进行了系统计算,研究了最低能量构型的吸附能、平均电压、重叠布居以及原子布居、电荷密度差分、电子局域密度和态密度等性质.通过吸附能确定石墨烯表面最可能的钠原子吸附形式,当钠原子吸附数量x＜5时,钠原子优先以双面吸附的形式吸附于石墨烯表面;当x≥5时,钠原子以团簇的形式吸附于石墨烯表面.平均电压计算结果表明,随着x的增加,平均电压先降低后出现升高趋势,对应x=4时石墨烯吸附钠的最大容量达124 mAh/g.电荷密度差分、电子局域密度及Mulliken布居分析表明,临近石墨烯表面的钠原子3s电子转移至石墨烯的反键π轨道,钠原子和碳原子之间形成弱离子键,距离石墨烯表面较远的钠原子3s电子与周围钠原子共享,钠原子之间形成金属键.态密度计算结果表明,随着x的增加,NaxC72(1≤x≤7)的费米能级向石墨烯反键π轨道移动,导电性增强.【期刊名称】《新型炭材料》【年(卷),期】2019(034)002【总页数】7页(P146-152)【关键词】钠离子电池;石墨烯;钠团簇;负极材料【作者】孙闻;杨绍斌;沈丁;董伟【作者单位】辽宁工程技术大学材料科学与工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学材料科学与工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学材料科学与工程学院,辽宁阜新123000;辽宁工程技术大学材料科学与工程学院,辽宁阜新123000【正文语种】中文【中图分类】TM9121 前言环境污染问题日益突出，风能、太阳能等清洁能源的利用越来越受到人们的关注，但这些清洁能源具有间歇性和随机性，限制了广泛应用。
大规模储能技术是解决清洁能源高效利用瓶颈的关键技术[1-3]。
目前常见的储能体系中，锂离子电池因工作电压高、能量密度大和循环寿命长成为理想规模储能电源。
第一性原理计算石墨烯综述
第一性原理计算石墨烯综述第一性原理计算综述引言理论计算模拟是除了实验方法外的另一种更好的探究和理解微观物质的内在机理和运动规律手段，对实验的相关结果也起重要的参考和补充作用。
对于纳米尺度上的理论研究，基于密度泛函理论的第一性原理计算是最为常见的方法之一。
第一性原理计算方法中不使用经验参数，只使用光速，电子质量，质子和中子的质量等少数物理参数，通过自洽迭代方法求解薛定谔方程来预测纳米材料的有关结构和特性。
第一性原理方法可以从电子轨道层面准确地模拟和预测材料特性。
同时，结合基于密度泛函理论的分子动力学模拟方法，基本上可以准确地判断和预测材料的结构特性。
这一过程只需要一个基于若干计算机的工作机群内，对大投资的传统实验开发是一个巨大的冲击。
虽然目前第一性原理计算方法的结果与完全精确地物性模拟还有一段距离，但是通过各种理论的修正，可以在一定程度上减小计算误差，提高预测的准确性，这也是目前第一性原理计算所采用的主要处理手段。
可以想象，随着第一性原理计算体系的逐渐完善，它必将作为一个不可缺少的科研工具，在纳米器件的工作平台上作为交互前端出现，承担大部分的设计与预测工作。
理论基础第一性原理计算资源TD-DFT应用实例Hubbard模型和VASP应用实例Hubbard模型是考虑固体中电子短程库仑排斥力的一种非常简化的模型。
这个简化的模型考虑了固体中运动电子量子机理，和电子间的非线性排斥作用。
Hubbard模型在物理的理论研究方面还是一个非常重要的模型。
尽管模型中物理表示非常简化，但却能反映出各种有趣的现象，如金属．绝缘体的相互转变，反铁磁体系，铁磁体系，流体和超导体。
本文中我们利用在紧束缚近似下的Hubbard 模型验证了第一性原理的结果。
计算所采用的软件是VASP，，它使用赝势和平面波基组来进行从头算量子力学分子动力学计算。
离子和电子的相互作用用投影缀加波(PAW)方法来描述。
电子的交换关联采用GGA-PW91泛函。
第一性原理的应用方法
第一性原理的应用方法1. 简介第一性原理是指基于自然法则和物理方程的理论推导方法，以基本原理为出发点，通过解析和计算原子、电子等基本粒子的运动和相互作用，从而得到更为精确和可靠的结果。
在材料科学、化学、物理学等领域中，第一性原理被广泛应用于材料设计、催化剂开发、电子结构研究等方面。
2. 第一性原理的基本原理第一性原理方法的核心是薛定谔方程，通过求解薛定谔方程，可以得到体系的波函数和能量。
从波函数和能量出发，可以进一步计算出其他物理性质，如晶格常数、电子结构、力学性质等。
第一性原理方法不依赖于任何经验参数，完全基于基本物理规律，因此具有较高的准确性和可靠性。
3. 第一性原理的应用方法3.1 材料设计在材料科学领域，第一性原理方法常被用于材料的设计和优化。
通过计算材料的能带结构、形成能、表面态等性质，可以预测材料的光学、电子、磁性等性质。
基于这些计算结果，可以有针对性地设计新型材料，如高温超导材料、催化剂等。
3.2 催化剂开发催化剂是化学反应过程中起催化作用的物质。
第一性原理方法可以帮助科学家理解催化剂的反应机制，预测催化反应的中间态及能量，为催化剂的设计和优化提供理论依据。
利用第一性原理计算，可以找到更高效、更稳定的催化剂。
3.3 电子结构研究第一性原理方法在电子结构研究中有着广泛的应用。
通过计算电子的能级分布、能带结构和态密度等性质，可以揭示材料的导电、磁性、光学等性质。
此外，还可以通过计算电子的散射行为等来研究材料的输运性质，为材料的设计提供指导和优化方案。
3.4 力学性质预测第一性原理方法可以通过计算材料的晶格常数、弹性常数、缺陷形成能等来预测材料的力学性质。
这对于材料的机械性能分析、材料性能改进具有重要意义。
通过计算力学性质，可以指导材料工程的设计和材料选择。
4. 应用案例4.1 新型材料开发基于第一性原理的计算方法，科学家们成功预测了一系列新型材料的性质，如二维材料石墨烯、新型超导材料等。
金属有机骨架材料的甲烷吸附
金属有机骨架材料的甲烷吸附甲烷是一种广泛存在于地球上的天然气体，也是一种重要的能源资源。
然而，甲烷的高温燃烧会产生大量的二氧化碳，加剧了温室效应和全球变暖的问题。
因此，研究和开发能够高效吸附和储存甲烷的材料变得至关重要。
金属有机骨架材料（Metal-Organic Frameworks，简称MOFs）是一种具有高度可调性和多孔性的新型材料。
它由金属离子或簇团与有机配体通过配位键连接而成，形成稳定的晶体结构。
MOFs材料的独特结构和性质使其在气体吸附和储存领域具有广泛的应用前景。
对于甲烷吸附而言，MOFs材料具有一些独特的优势。
首先，MOFs 材料具有高度可调性，可以通过调节金属离子或簇团以及有机配体的种类和比例来改变其孔径和孔隙结构，从而实现对甲烷吸附性能的调控。
其次，MOFs材料具有大量的微孔和介孔结构，这些结构能够提供大量的吸附位点，有效地增加甲烷的吸附容量。
此外，MOFs材料还具有良好的化学稳定性和热稳定性，能够在广泛的温度和压力条件下稳定地吸附和释放甲烷。
在研究和开发MOFs材料的过程中，科学家们通过实验和计算模拟等方法，系统地研究了MOFs材料的结构、吸附性能以及吸附机理。
他们发现，MOFs材料的甲烷吸附性能受到多种因素的影响，包括孔径大小、孔隙结构、表面亲疏水性以及金属离子或簇团的种类和配位数等。
通过调节这些因素，科学家们成功地设计和合成了一系列高效吸附甲烷的MOFs材料。
除了研究和开发MOFs材料，科学家们还积极探索其他吸附甲烷的新材料。
例如，石墨烯和碳纳米管等碳基材料具有优异的导电性和孔隙结构，可以实现高效吸附和储存甲烷。
此外，气凝胶和多孔聚合物等多孔材料也被广泛研究和应用于甲烷吸附领域。
总的来说，金属有机骨架材料是一种具有广泛应用前景的甲烷吸附材料。
通过研究和开发MOFs材料以及其他吸附材料，我们将能够实现对甲烷的高效吸附和储存，为解决能源和环境问题提供新的解决方案。
希望在不久的将来，这些材料能够得到广泛应用，为人类的可持续发展做出贡献。
吸附式甲烷分离
吸附式甲烷分离
吸附式甲烷分离是一种利用吸附剂分离甲烷的方法。
吸附剂可以选择性吸附气体中的甲烷，从而实现甲烷与其他气体的分离。
吸附式甲烷分离技术常用于天然气加工、煤层气开发等领域。
其原理是利用不同气体分子在固体材料上吸附特性的差异，通过周期性的改变吸附床压力，使甲烷分子在低压力时被吸附，然后在高压力时被脱附，从而实现甲烷与氮气、二氧化碳等其他气体的分离。
在具体操作过程中，首先将原料气体通过吸附剂床层，甲烷分子被吸附剂选择性吸附，其他气体如氮气和二氧化碳则通过床层。
然后通过降低压力或使用吹扫气体等方法将吸附剂中的甲烷脱附，得到高纯度的甲烷气体。
最后再通过加热或真空等方法将吸附剂再生，重复使用。
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关 键 词 ： 墨 烯 结合 能 电 子 态 密度 （ Ｏ ） 第 一性 石 Ｄ Ｓ
原 理
自２ｏ 年 成 功 制 备 二 维 石 墨 烯 片 以 后 … ， 优 越 的 电 ０４ 其 学 性 质 引 起 了 人 们 对 它 的 广 泛 研 究 。石 墨 烯 片 是 指 单 层 碳 原 子 密 堆 排 列 成 的 二 维 正 六 边 形 蜂 窝 状 点 阵 材 料 。 其 性 能 有 ： １ 石 墨 烯 是 迄 今 为 止 世 界 上 强 度 最 大 的 材 料 ， 测 （） 据 算 如 果 用 石 墨 烯 制 成 厚 度 相 当 于 普 通 食 品 塑 料 包 装 袋 厚 度 的 薄 膜 ． 么 它 将 能 承 受 大 约 两 吨 重 物 品 的 压 力 ， 不 至 于 那 而 断 裂 ；２ 石 墨 烯 是 世 界 上 导 电 性 最 好 的 材 料 ， 子 在 其 中 （） 电 的 运 动 速 度 达 到 了 光 速 的 １３ ０ 远 远 超 过 了 电子 在 一 般 导 ／０ ． 体 中 的 运 动 速 度 。 根 据 石 墨 烯 超 薄 ， 度 超 大 的特 性 ， 墨 强 石 烯 可 被 广 泛 应 用 于 各 领 域 ， 如 超 轻 防 弹 衣 ， 薄 超 轻 型 飞 比 超 机 材 料 等 。根 据 其 优 异 的 导 电性 ， 它 在 微 电子 领 域 也 具 使 有 巨大 的 应 用 潜 力 。 墨 烯 有 可 能 会 成 为 硅 的 替 代 品 ， 造 石 制 超 微 型 晶 体 管 ， 来 生 产 未 来 的 超 级 计 算 机 。 元 素 更 高 的 用 碳 电 子 迁 移 率 可 以 使 未 来 的 计 算 机 获 得 更 高 的 速 度 。 另 外 石 墨 烯 材 料 还 是 一 种 优 良 的 改 性 剂 ．在 新 能 源 领 域 如 超 级 电
作 为 电 极 材 料 助 剂 。从 前 面 的报 道 中 知 道 它 有 好 的储 氢 性 能 … ． 文 主 要 对 石 墨 烯 片 吸 附 甲烷 时 由 于 甲烷 距 离 石 墨 本
一 ５ ． ９ ３ —３ ６ ９ ８ ７ — ５ ６ ０ —３ ６ ９ ４ ２ ３６ ８９ ４ ５ ．１６ ３６ ８８０ ５ ２ １
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图 １ 石墨 烯 及 吸 附 甲烷 的 结构 图
（） 墨 烯 结 构 ，ｂ 石 墨 烯 吸 附 甲烷 图 时 的 侧 视 图 ，ｃ 、 ａ石 （） （ ） （ ） （） （） 墨烯 吸 附 甲烷 时不 同结 构 的 俯 视 图 。 ｄ 、ｅ 、ｆ石 上 式 为 结 合 能 的 计 算 公 式 。结 合 能 反 映体 系 的 稳 定 性 ， 能 量 越 小 ， 系越 稳 定 。表 １ 出 了体 系 结 合 能 随 甲烷 距 离 石 体 给 墨 烯 位 置 的不 同 所 发 生 的 变 化 。从 表 中可 以看 出 ， 系 的 结 体 合 能 随 甲烷 距 离 石 墨 烯 位 置 的增 大 而 增 大 ． 明其 稳 定 性 依 说 次减小 。
表 １ 不 同结 构 的 结 合能
结构一 Ｃ４ Ｈ 距石墨烯距离（ ｍ ｎ）
Ｅ （ Ｖ） ｂｅ
结构二 ３４ ８ ． ７
结构三 ３ ２７ ．２
结构四 ３２ ｌ ． ４
３ ２０ ．９
容器 、 离子 电池 方 面 ， 锂 由于 其高 传 导性 、 比表 面积 ， 高 可
石 墨 烯 吸 附 甲 烷 的 第 一 性 原 理 研 究
安 博
（ 南 师 范学 院 物 理 与 电气 工 程学 院 ， 西 渭 南 渭 陕 摘 要 ： 文 采 用 第一 性 原 理研 究 了无 电场 存 在 时石 墨 本 ７４０ ） １０ ０
烯 吸 附 甲烷 （ Ｈ ） 电子 结 构 。 结 构表 明 ： 着 甲 烷 （ 构 ．
００ ７２ ．７５
００６ ５ ．９ ８
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０ １２０ ．０ ３
烯 片 位 置 的 不 同 ，来 分 析 其 所 需 的结 合 能 和 所 呈 现 的 电子
态 （ Ｓ） 布 图 。 Ｄ０ 分
１模 型 与 计 算 ． 本 文 理 论 计 算 运 用 Ｄ Ｌ 软 件 ［提 供 的 密 度 泛 函 方 法 ＭＯ ３ ６ ３ （ Ｆ ） 。应 用 局域 密度 近 似 （ Ｄ 吲 法 处 理 电 子 间 的 交换 Ｄ Ｔ Ｌ Ａ） 方 关 联作 用 ． 具 体形 式 为 Ｐ 格 式 。 函 数采 用 极 化 泛 函 的 双 其 ＷＣ 基
石 墨烯 距 离的 不 同， 需 的 结合 能也 会 不 同。 由电子 态 （ Ｏ ） 所 Ｄ Ｓ 密 度 分 布 图 可 知 ， 呈 现 的 电子 态密 度 （ Ｏ ） 位 向 导 带 会 所 Ｄ Ｓ峰
发 生 微 小 的 移 动
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（ ｂ ） （） ｃ 结构 一 （ 结 构＝ ａ ） （） 构三 ｅ 结
图 ２ 出 了在 没 有 外 加 电 场 的 情 况 下 ． 墨 烯 片 与 甲烷 不 给 石 同位 置 的 电子 态 （ Ｏ ） 布 。 由于 电子 主要 分 布 在 费 米 能 及 Ｄ Ｓ分 附近 ， 即从 一 ． 到 ０１ ａ 间 范 围 内 的 电 子 态 ． 此 之 外 的 ０２ Ｈａ ． 区 Ｈ 除 电子 分 布 几 乎 为零 。 图可 知 随 着 甲烷 （ Ｈ ） 石 墨烯 片距 离 由 Ｃ 与 的增 大 ， 于 费 米 面上 方 的 态 密 度 上 的第 一 个 峰 （ 键 态 峰 ） 处 反 向低 能 区（ 米 面 下 方 ） 生移 动 幅度 越 小 。也 就 是 费 米 能 级 费 发 向导 带 发 生 漂移 ， 势 垒 高 度 升 高 ， 使 电子 由价 带 向导 带 跃 迁 时 所 需 的能 量 也增 大 。 图ａ 图 ｂ 示 没 有 加 电场 时 甲烷 的一 个 碳 原 子 位 于其 中 和 表 个石墨 烯片 中间空 心上方 时 的不 同位置所 呈 现的Ｄ Ｓ Ｏ 分 布 ： 图ｃ 图ｄ 示 没 有加 电场 时 甲烷 的一 个 碳 原 子 位 于石 墨 和 表 烯 片 的一 个 碳 原 子 上 方 时 的不 同位 置 所 呈 现 的Ｄ Ｓ 布 。分 Ｏ 分