甲烷自由基对石墨烯愈合的原子水平机制(FlatChem 2023)

Posted · Add Comment

简介

作者综合使用 QuantumATK 中多种材料学计算模拟方法预测了使用甲烷基等离子体自由基碎片CHx(x=1-3)修复石墨烯空位缺陷的可能性。这些碎片在空位缺陷的边缘处具有更高的定位吸附活性。当温度升高时,自由基中的碳原子替代了缺陷处缺失的碳原子,使石墨烯网络恢复到其完美的六边形结构。等离子体自由基碎片也被发现是修复Stone Wales缺陷的有效催化剂。作者使用NEB过渡态搜索方法研究了所考虑的等离子体自由基的愈合机理。所获得的结果可以帮助理解缺陷石墨烯的等离子体辅助修复机制。

吸附热力学

使用密度泛函理论(DFT)和反应性力场(ReaxFF)分别计算多种单碳分子片段在原始石墨烯和空位缺陷石墨烯上的吸附能。结果表明DFT和ReaxFF给出的能量趋势一致,并且物理吸附的CH4具有最小的吸附能。

图。使用DFT(实心黑圈)和ReaxFF力场(空心红圈)计算,甲烷(CH4)分子及其等离子体自由基(CHx(x=1-3))在原始(a)和单空位(b)石墨烯上的吸附能。(b)中的缺陷区域用淡粉色圆圈突出显示。

NEB过渡态搜索

NEB模拟从吸附结构到修复结构的反应路径,中间可能有多个过渡态和中间结构。由此可以大致确定克服反应能垒所需的活化能。

分子动力学模拟

图。在无缺陷石墨烯上吸附的CH(a)、CH2(b)和CH3(c)自由基的体系能量随时间(底轴)和温度(顶轴)的变化。插图显示了能量曲线上所示时间间隔的结构。
图。当自由基(CH(a)、CH2(b)和CH3(c))吸附在单个空位缺陷附近时,能量随时间(底轴)和温度(顶轴)的变化。插图显示了石墨烯愈合之前(插图1)和之后(插图2和3)的系统瞬时结构。

参考


 
  • 标签

  •