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杂质的局域和非局域电化学效应提高石墨烯的化学活性

        近期,我室曾雉研究员领导的课题组在掺杂石墨烯的化学活性机制方面取得新进展。相关研究结果发表在《物理化学期刊C》(Journal of Physical Chemical C119, 10513-10519(2015).)杂志上。石墨烯作为电子、光学、化学、储能等器件中的代表,其化学活性的机制问题备受关注,尤其是B、N掺杂石墨烯的化学活性机制问题更成为近期热点。我室博士生巩朋来同学针对杂质的局域和非局域电化学效应对石墨烯化学活性的影响进行了系统的研究。其研究结果表明,B、N杂质的局域和非局域电化学效应对于H稳定性都有增强作用。这些非局域的掺杂电荷来源于非局域的苯环共振效应,而局域电荷则束缚在B、N杂质附近。在B掺杂石墨烯(B-G)或N掺杂石墨烯(N-G)中,这两种类型的掺杂电荷同时存在,而在BN共掺杂石墨烯中,非局域的掺杂电荷将会大大被抑制,局域的掺杂电荷也会被削弱。非局域的电化学效应在距B、N杂质至少9 Å的范围内对H的稳定性具有增强作用;而局域的电化学效应在离B、N杂质约2 Å内有一定的增强作用。此外,其结果还澄清了杂质引起的应变效应对于H的稳定性增强具有重要贡献的误解。最后,阐明了H的稳定性与H-石墨烯的电荷转移无关,电荷转移仅仅反应了B-G、N-G系统的掺杂电荷分布以及证实电化学效应的存在。这些非局域和局域的电化学效应有望在掺杂石墨烯中实现进一步的掺杂电荷控制和化学特性改造。

图 1. H吸附在B掺杂石墨烯(B-G)和N掺杂石墨烯(N-G)上稳定性和吸附距离的关系。吸附距离是H原子距离B或N原子的距离,图中黑色字母代表H吸附位置。插图是B-G中空穴分布和N-G中电子分布。虚线是H吸附在纯净石墨烯的吸附能(0.82eV),空心圆圈是应变对H吸附能的贡献(上移0.82eV)。

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