摘 要
墨烯是目前唯一的二维自由态原子晶体，具有其独特而优异的导电性、导热性及机械性能，因而受到全世界科学家的广泛关注。就在这八年的研究发展中，石墨烯的性质、制备及其惊人广泛的应用前景都取得了丰硕的成果。本文运用CASTEP独特的密度泛函理论量子化学程序，通过计算我们对氮掺杂在氮掺杂石墨烯上进行了研究，讨论了氮掺杂石墨烯的能量变化和氮掺杂石墨烯的存在的一些稳定结构及微观构象，探讨含氧基团对于氮掺杂的作用。根据我们计算结果，氮掺杂石墨烯可以作为氮掺杂的很好底物，另外我们计算也表明硫原子可以插入到羟基之间，通过过渡态的理论计算，掺杂在氮掺杂石墨烯表面上的硫原子也可以插入到羟基上。同时氮掺杂石墨烯上存在的含氧的活性缺陷位，对于化学功能化的氮掺杂石墨烯具有重要的运用，以及可以设计新颖的化学传感器设备。
关键词：第一性原理； 氮掺杂石墨烯；硫；掺杂
Abstract
By using the unique CASTEP density functional theory of quantum chemistry program, we have investigated the S adsorption on the Graphene oxide and discussed the energy change , stable conformation and microscopic structure of graphene oxide , then study the effect of oxygen containing groups on the adsorption of S. According to our experiment and theoretical calculation, we confirmed that Graphene oxide can be a good substrate for the S adsorption .Besides , the transition state theory calculation also indicates the sulfur atoms on the surface of Graphene oxide can also be inserted into hydroxyl group and the presence of active oxygen defects on GO have an important role on the functional Graphene oxide, can also be used in the new sensor device.
Keyword: a first principle; grapheme oxide; sulfur; adsorption
目 录
1. 绪论 1
1.1 前言 1
1.2 氮掺杂石墨烯的概况 1
1.3 氮掺杂石墨烯的制备及其性质 2
1.3.1 氮掺杂石墨烯的制备 2
1.3.2 氮掺杂石墨烯的化学还原 3
1.3.3 氮掺杂石墨烯的改性 4
1.3.4 氮掺杂石墨烯的表面化学反应 5
1.3.5 氮掺杂石墨烯的电学性质 5
1.4 理论计算方法基础 5
1.4.1 Bloch定理 5
1.4.2能带计算方法－平面波法（OPW） 6
1.4.3 能带计算方法－赝势法 7
1.4.4 Materials Studio计算软件 8
1.5 CASTEP模块简介 8
1.5.1 CASTEP相关参数 9
1.5.2 CASTEP几何优化 10
1.6 实验目的及意义 12
2. 计算方法 13
3. 结果与讨论 14
3.1 氮掺杂石墨烯的结构 14
3.2 环氧基和羟基在氮掺杂石墨烯上的掺杂构象 15
3.3 S在氮掺杂石墨烯上的掺杂构象 16
4. 结论 18
致谢...........................................................................................................................................................19
参考文献...................................................................................................................................................20
参考文献
[1] 徐超. 石墨烯材料的制备及其性能的研究[D].硕士.南京理工大学，2010.
[2] 王海波. 基于氮掺杂石墨烯和端粒酶的新型生物传感技术的研究与应用[D].博士.湖南大学，2012(5).
[3] William S Hummers Jr,Richard E Offeman. Preparation of graphitic oxide[J]. Jam Chen Soc,1958,80(56):1339.
[4] 王蓓娣. 氮掺杂石墨烯的功能化改性及应用研究[D].硕士.复旦大学，2012.
[5] 傅玲, 刘洪波, 邹艳红，等. Hummers法制备氮掺杂石墨烯时影响氮掺杂石墨程度的工艺因素研究[J]．炭素, 2005(4):10.
[6] SzaboT, BerkesiO, Forgo P, et al. Evolution of surface functional groups in a series progressively oxidized graphite oxides[J]. Chem Mater, 2006,18(11):2740.
[7] Daniel R Dreyer, sungjin Park, Christopher W Bielawski, et al. The chemistry of graphene oxide[J]. Chem Soc Rev, 2010,39(1):228.
[8] OwenC Compton, SonBinT Nguyen. Graphene oxide, highly reduced graphene oxide, and graphene : Versatile building blocks for carbon-based materials[J].Small, 2010,6(6):711.
[9] 肖淑华，沈明，朱沛英，等. 水合肼还原氮掺杂石墨烯的研究[J].材料开发与运用，2011，(4):45-50.
[10] 王闪闪. 化学还原法制备石墨烯的研究进展[D].硕士.南京大学，2013.
[11] Daniela C Marcano，Dmitry V Kosykin，Jacob M berlin，et al. Improved synthesis of graphene oxide[J]. ACS Nani,2010,4（89）:4806.
[12] 王正玮，熊丽，高云涛，等. 羟基化氮掺杂石墨烯的制备及其电化学性能.云南民族大学学报（自然科学版），2013,10(3).
[13] Shen jianfeng，Hu Yizhe，Shi Min，et al. Fast and facile preparation of graphene oxide and reduced graphene oxide nanoplatelets[J]. Chen Master,2009,21(15):3514.
[14] XXX. 密度泛函理论应用研究Ⅰ.过渡金属-双硫分子配合物和聚二乙炔的结构与性质;Ⅱ.乙醇在Pd(111)面上的掺杂[D]. 厦门大学学士论文，2008(5).
[15] StankovichS,DikinD A,Domme G H B,Kohlhaas K M,Zimney E J,et al. Graphene-based composite materials[J]. 2006,442(7100):282-286.
[16] Nethravathi C,Rajamathi M. Delamination,colloidal dispersion and reassembly of alkylamine interealated graphite oxide in alcohols.Carbon[J],2006,44(13):2635-2641.
[17] Stankovich S,Piner R D,Nguyen S T,Ruoff R S. Synthesis and exfoliation of isocyanate-treated graphene oxide nanoplatelets.Carbon[J],2006,44(15):3342-3347.
[18] Liu z,Robinson JT ,Sun X M,et al. Pegylated nanographene oxide for delivery of water-insoluble cancer drugs.J.Am.Chem.Soc[J],2008,130(33):10876-10877.
[19] Xu C, Wu X D,Zhu J W, et al. Synthesis of amphiphilic graphite oxide.Carbon[J]. 2008,46(2):386-389.
[20] Wang H L,Hao Q L,Yang X J,Lu L D,Wang X. Graphene oxide doped polyaniline for supercapaeitors.Electrochem.Commun[J].2009,11(6):1158一1161.
[21] Chen H,Muller M B,Gilmore K J,et al. Meehanically Strong,Eleetrically conduetive and biocompatible graphene paper.Ady Mater[J].2008,20(18):3557-3561.
[22] Parx S,Roff R S. Chemical methods for the production of graphenes.Nat Nanotechnol[J].2009,4(4):217-224.
[23] 郭宁. Sb Sn金属间化合物的结构和对石油改性研究.南京工业大学学位论文，2006(5).
[24] XXX婷婷. 小分子与（ZnS），<n>团簇相互作用的理论研究. 厦门大学学士论文，2007(5).
[25] 卢宁. 石墨烯氮掺杂物及二维材料化学修饰的第一性原理研究. 中国科学技术大学学位论文.，2012(5).
[26] Dikin D A,Stankovich S,Zimney E J,Piner R D,et al. Preparation and charaeterization of graphene oxide Paper.Nature[J].2007,448(7152):457-460.
[27] Wang L,Lee,K,Sun Y-Y,et al. Adsorption and Dissociation of Ammonia on Graphene Oxides: A
First-Principles Study[J].2009, 3,2995–3000.
[28] H. S. Philip Wong and Deji Akinwande. Carbon nanotubes and graphene device physics. London: Cambridge University Press. 2011: 67- 70.
http://www.bysj360.com/ http://www.bysj360.com/html/5215.html http://www.bylw520.net
