关键词：石墨烯/碳纳米管;;甲烷传感器;;机械和电子特性;;吸附机理;;密度泛函理论;;分子动力学
摘 要：甲烷是一种重要的清洁气体能源同时又是一种有毒的气体,对其有效检测刻不容缓。石墨烯和碳纳米管都具有很好的机械和电子特性,同时,它们具有非常大的表面积比,能为气体分子提供比传统材料多得多的吸附位点,在对气体的有效检测上具有巨大的优势。但是石墨烯和碳纳米管都有分散困难的问题,石墨烯容易层积而碳纳米管容易缠绕。而石墨烯/碳纳米管(G-CNTs)互联复合材料则能解决这些问题,同时具有和石墨烯与碳纳米管一样优异的性能。研究表明,虽然G-CNTs的机械强度和导电性稍低于石墨烯和碳纳米管,但是其机械和电子性能仍优于其他材料,甚至在机械延展性上远优于石墨烯和碳纳米管。同时它拥有更大的比表面积和孔隙率。因此,很有必要发展基于G-CNTs的甲烷检测器件,G-CNTs甲烷吸附机理和性能表现的研究具有重要的现实意义。本课题全面研究了G-CNTs的性能表现,多方面分析了其甲烷吸附机理。首先分别探究了graphene和CNTs的性能表现,进而具体分析G-CNTs的性质特征;随后以此为基础对其对甲烷吸附机理和性能表现展开具体分析。课题研究内容及主要研究结果概述如下:1)本文利用湿法转移和机械剥离的方法成功转移获得了单层和少层的石墨烯,并制备了G-CNTs溶液。可以发现,石墨烯的电流会随着层数的增加而增加,并且呈现出很好的线性关系。需要注意的是,湿法转移的石墨烯随着层数的增大,其电流增大的幅度很大,而机械剥离石墨烯的电流增大的幅度则相对小很多。另外,G-CNTs对甲烷的吸附性能表现最好。2)本文运用第一性原理分析了官能团和掺杂的位点分布对功函数(WF)的变化,研究了不同状态下石墨烯的表面改性、掺杂、缺陷等因数对石墨烯WF的影响。基本上,石墨烯WF会随着石墨烯尺寸(宽度)的增加而减小。而羟基对石墨烯的改性,会造成其WF的增加。当羟基的数目增加时,石墨烯WF也会随之增加。此外,当羟基的分布集中时,WF会比羟基分散分布大;而缺陷会使石墨烯WF变小,当缺陷在中心位置时,WF最小。3)本文运用第一性原理分析了石墨烯层数对甲烷吸附和掺杂可行性的影响,对石墨烯吸附机理和石墨烯多层体系的甲烷吸附研究进行了探讨。在原始的甲烷-石墨烯体系中,CH_4的吸附能随着石墨烯层数的增加而增加。在铝掺杂的甲烷-石墨烯体系中,甲烷的吸附能的值会急剧增加,最后稳定在2.6 eV左右。另外,甲烷的吸附能和Al掺杂的浓度是成正比例关系的。4)本文通过DFT和DFTB对不同类型的G-CNTs进行了研究,寻找具有优良性能的稳定结构。一般来说,扶手型G-CNTs的结合能比锯齿型G-CNTs更强。而(6,0)CNTs和扶手型石墨烯的互联结构(arm-60)具有最大的结合能,(4,0)CNTs和锯齿型石墨烯(zig-40)的结合能最小。总体来说,arm-60的结构最稳定。5)从量子理论、分子水平和介官尺度分析了G-CNTs和功能化的G-CNTs对甲烷吸附的影响,并讨论了多边界条件下如温度和压力的情况。文中首先分析了G-CNTs不同吸附位点的吸附能。结果表明,arm-44的吸附能比arm-60的吸附能略大。此外,G-CNTs的互联部分具有最好的吸附效果。B掺杂具有提高甲烷吸附容量的最佳表现,同时B的掺杂也具有较大的可行性。
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