全文HTML
--> --> --> -->3.1.NxG (x = 0, 1, 2, 3)的结构与稳定性
首先, 采用上述计算方法与测试参数对本征石墨烯进行优化, 得到本征石墨烯的稳定构型, 其几何结构与电子性质如图1所示. 如图1(a)所示, 本征石墨烯为碳原子构成的二维蜂窝状六角晶格结构, 其中C—C键长为1.425 ?, 晶格矢量为9.873 ?, 与文献[43]报道的结果相一致. 从图1(b)可以明显看出, 在对称点K处存在狄拉克锥, 带隙为零. 态密度在费米能级附近也为零, 表现出零带隙半导体(半金属)性质. 电子性质与实验文献[44, 45]符合得很好, 说明本文的计算理论水平和参数设置是可靠的.图 1 本征石墨烯的几何结构与电子性质 (a)结构图; (b)能带和态密度图; (c)布里渊区高对称点的示意图
Figure1. Optimized structure and electronic properties of graphene: (a) Optimized structure; (b) the energy band and density of states (DOS); (c) the irreducible Brillouin zone. The irreducible k-point path ΓMKΓ corresponds to the graphene.
为了理解不同氮掺杂浓度对氧分子还原的影响, 首先优化了NxG (x = 1, 2, 3)的稳定结构, 如图2所示. 对于一氮掺杂(x = 1), 由于本征石墨烯的对称性, 每一个碳原子都是等价的, 因此N1G只有一种构型, 如图2(a)所示. 对于二氮掺杂(x = 2), 按照两个氮原子之间的距离由小到大, 设计7种掺杂构型并进行弛豫(见补充材料的图S1 (online)), 然后选取能量最低的一种结构作为吸附氧分子的基底材料. 图2(b)为N2G的最低能量结构, N-N距离为5.700 ?, 与文献[43]报道的掺杂构型相一致. 图2(c)中两个氮原子位于碳六元环的对角位置, N-N距离为2.870 ?, 能量仅比图2(b)高出0.016 eV. 对于三氮掺杂(x = 3), 考虑了尽可能多的掺杂构型(见补充材料的图S2 (online)), 最终发现N3G的最佳构型是三个氮原子位于两个相邻六元环的对角位置, N-N距离为2.870 ?, 如图2(d)所示. 另外, 从图S1和图S2还可以看出N-N距离最近的构型能量最高, 说明氮原子是分散掺杂在石墨烯当中. 值得注意的是, NxG (x = 1, 2, 3)的结构没有凸起或凹陷, 即氮掺杂并没有改变石墨烯的二维平面结构.
图 2 NxG (x = 1, 2, 3)的最稳定构型(碳原子和氮原子分别用灰色和蓝色小球表示) (a) N1G (x = 1); (b) N2G-1 (x = 2); (c) N2G-2 (x = 2, 亚稳态构型); (d) N3G (x = 3)
Figure2. Optimal structures of NxG (x = 1, 2, 3): (a) N1G (x = 1); (b) N2G-1 (x = 2); (c) N2G-2 (x = 2, metastable state); (d) N3G (x = 3). The C atom and N atom are represented by grey and blue sphere, respectively.
2
3.2.氧分子的吸附性质
33.2.1.NxG-O2的结构与稳定性
接下来, 研究氧分子在NxG (x = 0, 1, 2, 3)基底上的吸附性质. 对于每一种基底, 分别考虑了氧分子位于NxG六元环中心正上方(空位, 用字母H表示)、C—C键/N—C键的正上方(桥位, 用字母B表示)和碳/氮原子的正上方(顶位, 用字母T表示)三种吸附位. 每一种吸附位, 又分别考虑了氧分子与基底的平行、倾斜和垂直三种吸附方式. 这样, 对于每一种基底材料, 我们最少考虑了九种不同的氧分子吸附结构作为初始结构进行弛豫. 最后比较弛豫后的总能量, 确定氧分子在NxG (x = 0, 1, 2, 3)基底上的最稳定吸附构型, 如图3所示. 为了定量地描述氧分子在基底上的吸附强度, 定义吸附能公式如下:图 3 NxG (x = 0, 1, 2, 3) 吸附氧分子的最稳定构型(碳原子、氮原子和氧原子分别用灰色、蓝色和红色小球表示) (a) G-O2; (b) N1G-O2; (c) N2G-O2; (d) N3G-O2
Figure3. Optimal structures of NxG (x = 0, 1, 2, 3): (a) G-O2; (b) N1G-O2; (c) N2G-O2; (d) N3G-O2. The C atom, N atom, and O atom are represented by grey, blue, and red spheres, respectively.
NxG-O2/at% | Ead/eV | dO—O/? | $Q_{{\rm O}_2} $/e | QN/e | N含量 |
O2 | — | 1.233 | — | — | — |
G-O2 | 0.13 | 1.242 | –0.04 | — | — |
N1G-O2 | 0.31 | 1.261 | –0.22 | –1.24 | 3.13 |
N2G-O2 | 0.33 | 1.259 | –0.25 | –2.39 | 6.25 |
N3G-O2 | 0.28 | 1.258 | –0.21 | –3.72 | 9.38 |
表1NxG (x = 0, 1, 2, 3) 吸附氧分子的相关性质
Table1.Adsorption properties of O2 molecule on the NxG (x = 0, 1, 2, 3).
从图3(a)可以看出, 对于本征石墨烯, 氧分子的最稳定吸附构型是氧分子平行吸附在本征石墨烯的H位, 两个氧原子分别靠近六元环两个相对的C—C键, 与文献[34]中报道的两个氧原子分别靠近两个对角的碳原子不同. 因此, 我们采用相同的计算方法与参数优化了文献[34]中的吸附构型, 发现其能量仅比我们当前优化的构型能量高0.001 eV, 说明两个结构是等能异构体结构, 具体详见补充材料的图S3(a)和图S3(b)所示(online). 图S3所示为所有的本征石墨烯吸附氧分子(G-O2)的异构体结构及相对能量, 可以看出G-O2亚稳态的能量差别非常小, 说明各种吸附构型都会发生. 其原因是石墨烯的大
对于一氮掺杂基底N1G, 氧分子的最稳定吸附构型如图3(b)所示. 氧分子吸附在N1G表面, O—O键平行于N—C键并位于N—C键的上方(B位), 位于氮上方的氧原子比位于碳上方的氧原子大约高出N1G基底0.050 ?. 文献[34]报道氧分子在N1G上的吸附构型为一个氧原子位于相邻N的C原子上方, 另一个氧原子位于C5N环的上方. 我们也对此吸附构型进行了测试计算, 结果发现此吸附构型比我们当前报道的吸附构型总能量高出0.015 eV, 详见补充材料的图S4(e)所示(online). 图S4所示为所有的一氮掺杂石墨烯吸附氧分子(N1G-O2)的异构体结构及相对能量. 可以看出这些N1G-O2异构体的能量同样差别很小, 说明氧分子可以随机吸附在氮原子周围. 由表1可以看出, N1G-O2的吸附能为0.31 eV, 氧分子距离基底之间的平均距离为2.896 ?, 氧分子获得较多电荷(–0.22 e), O—O键长为1.261 ?. 相对氧分子吸附在本征石墨烯上, 氧分子吸附能变大, 距离基底变近, 氧分子所得电荷增加, O—O键长进一步变长, 说明氧分子与基底之间的相互作用增强了, O—O之间的结合进一步减弱, 氮原子掺杂提高了氧分子的还原反应. 同时, 掺杂的氮原子从周围的碳原子获得–1.24 e的电荷, 氧原子和氮原子同时得到电荷, 碳原子失去电荷. 由于库仑相互作用, N—O之间表现出一定的排斥性, C—O之间表现出一定的吸引性, 这也是位于氮原子上方的氧原子比位于碳原子上方的氧原子相对基底的距离高的原因.
对于二氮掺杂基底N2G, 氧分子的最稳定吸附构型见图3(c). 氧分子平行吸附在N2G表面, 氧分子中心位于一个氮原子的正上方(T位). 此时, 氧分子距离基底之间的平均距离约为2.923 ?, 稍高于氧分子吸附在N1G表面时的情况(2.896 ?), O—O键长为1.259 ?, 稍短于氧分子吸附在N1G表面时的键长(1.261 ?), 吸附能变化不大. 分析可知掺杂的两个N原子N—N间距太远(5.700 ?), 距离较远的N原子对氧分子吸附几乎不起作用, 所以N2G-O2类似于N1G-O2的性质. 氧分子获得的电荷量为–0.25 e, 比吸附在N1G表面的电荷量多–0.03 e, 说明N2G比N1G对氧分子的还原略有增强. 另外, 对于N2G的亚稳态结构(图2(c)), 也计算了氧分子吸附的各种情况, 详见补充材料的图S6所示(online). 由图S5和图S6可知, 对于同样结构的基底材料, 氧分子吸附的异构体能量相差很小, 有的几乎是等能异构体, 说明氧分子的这些吸附构型都有可能发生. 另外, 二氮掺杂石墨烯的亚稳态吸附氧分子N2G-O2-2的最低能量结构比基态吸附氧分子N2G-O2的最低能量结构总能量高0.07 eV, 氧分子的吸附能小0.05 eV.
对于三氮掺杂基底N3G, 氧分子吸附(N3G-O2)的异构体结构及相对能量详见补充材料的图S7所示(online), 可以看出, 氧分子吸附的异构体能量同样相差不大, 说明氧分子的这些吸附构型也都有可能发生. 氧分子的最稳定吸附构型如图3(d)所示, 一个氧原子位于一个氮原子的正上方, 另一个氧原子则位于C5N环的上方, 前者比后者高出基底约0.07 ?. 此时, 氧分子距离基底的平均距离为2.903 ?, O—O键长为1.258 ?, 氧分子的吸附能为0.28 eV. 相对于N1G-O2和N2G-O2, O—O键长和O—O吸附能均略微减小, 但比G-O2大. 此时, 氧分子从基底获得的电荷为–0.21 e, 相对于N1G-O2和N2G-O2少, 但仍然比G-O2获得的电荷多. 这说明三氮掺杂石墨烯对氧分子的还原相对于本征石墨烯显著增强, 但相对于一氮掺杂和二氮掺杂石墨烯并没有增强.
由以上分析可知, 本征石墨烯掺杂氮原子以后, 氧分子的吸附能显著增加, O—O键长明显增长, 氧分子获得的电荷量也显著增多, 说明氧分子的反
3
3.2.2.NxG-O2的电荷分析
一般来说, 氧分子被还原的程度取决于有多少电荷转移到氧分子, 即氧分子获得电荷越多, 氧分子被还原的程度越强. 为了进一步理解氮掺杂石墨烯对氧分子还原的机理, 以N1G-O2为例, 计算氧分子获得的电荷量与N-O距离(氮原子到O—O键中心的距离定义为N-O距离)之间的关系, 并绘制在图4中. 由图4明显可见, 氧分子获得的电荷量与N-O距离呈现出一定的线性关系, 即氧分子距离氮原子越近, 其获得的电荷量越多, 氧分子被还原的程度越强, 充分说明氮掺杂石墨烯能提高氧分子的还原反应. 同时, 为了对比, 也给出了本征石墨烯吸附氧分子的情况, 氧分子获得电荷量与不同C-O距离(此处的碳与上面的氮处于同一原子位置)的关系同样绘制在图4中. 由图4可知氧分子吸附在石墨烯上获得的电荷量随着C-O距离的增大而减小, 获得电荷量小于吸附在氮掺杂石墨烯上获得的电荷量. 总之, 氧分子不仅从碳原子得到电荷, 也从氮原子得到电荷.图 4 G-O2和N1G-O2中氧分子获得的电荷与C/N-O距离之间的关系
Figure4. Charges of O2 molecule vs. the C-O distance in the G-O2 system (red line) and the N-O distance in the N1G-O2 system (blue line).
为了更直观地观察氧分子与NxG (x = 0, 1, 2, 3)基底之间的电荷转移, 分别计算了NxG-O2 (x = 0, 1, 2, 3)体系的差分电荷密度, 如图5所示, 黄色区域表示获得电荷, 蓝色区域表示失去电荷. 差分电荷密度计算公式定义为
图 5 NxG-O2 (x = 0, 1, 2, 3) 差分电荷密度图(黄色代表电荷聚集, 蓝色代表电荷失去; 电荷等势面是6 × 10–4 e/?3) (a) G-O2; (b) N1G-O2; (c) N2G-O2; (d) N3G-O2
Figure5. Charge density difference of NxG-O2 (x = 0, 1, 2, 3): (a) G-O2; (b) N1G-O2; (c) N2G-O2; (d) N3G-O2. The gain of electrons is indicated in yellow and the loss of electrons is indicated in blue. The isosurface value is 6 × 10–4 e/?3.
3
3.2.3.NxG-O2的电子性质分析
为了更深入地理解氮掺杂石墨烯还原氧分子的机理, 分别画出了氧分子吸附在本征石墨烯及氮掺杂石墨烯表面的能带结构图和分态密度图, 如图6和图7所示. 由图6(a)所示, 本征石墨烯吸附氧分子以后, 狄拉克锥上移, 穿过费米能级, 体系呈现出金属性质, 说明本征石墨烯吸附氧分子以后失去电子, 使部分价带变成导带, 氧分子吸附相当于p-type掺杂效果. 由Bader电荷分析可知, 这部分失去的电子转移给了氧分子, 使氧分子得到还原. 结合图7(a)所示的分态密度, 还可以看出氧分子发生了自旋极化, 自旋向上的态占据在–1.969 eV附近, 自旋向下的态占据在0.230 eV附近的空轨道.图 6 NxG-O2能带结构图 (a) G-O2; (b) N1G-O2; (c) N2G-O2; (d) N3G-O2
Figure6. Band structures of NxG-O2: (a) G-O2; (b) N1G-O2; (c) N2G-O2; (d) N3G-O2.
图 7 分态密度图 (a) G-O2; (b) N1G-O2; (c) N2G-O2; (d) N3G-O2
Figure7. Projected density of states (PDOS): (a) G-O2; (b) N1G-O2; (c) N2G-O2; (d) N3G-O2.
从图6(b)可知, 一氮掺杂石墨烯吸附氧分子以后, N1G狄拉克锥下移, 穿过费米能级, 体系仍呈现金属性质, 说明相对于本征石墨烯而言, 氮原子掺杂使得石墨烯部分导带被电子填充变成价带, 氮原子掺杂相当于n-type掺杂效果. 另外, 氮原子掺杂使得狄拉克锥点打开0.2 eV, 与文献[43]报道相一致. 进一步观察发现氧分子吸附在氮掺杂的石墨烯上发生能级劈裂. 图7(b)所示的分态密度显示氧分子从基底获得电荷量增加, 使部分导带被填充变成价带, 这与Bader电荷分析的结果是一致的. 相比G-O2而言, N1G-O2的O2态密度在费米能级附近与基底N1G的交叠增大, 说明氧分子与N1G的相互作用增强, 导致被还原程度增加. 氧分子自旋向上的能级分别在–1.589 eV和–1.884 eV附近, 自旋向下的能级出现在0.216 eV附近, 相对于吸附在本征石墨烯表面, 自旋向上的能级上移, 而自旋向下的能级下移, 能级位置降低了约0.014 eV.
对比图6(b)—(d)可知, 随着氮含量的增加, 体系中的总电子数增加, 多出的电子填充基底的导带使其变成价带, 狄拉克锥点进一步下降. 氧分子能级位置随着氮含量的增加并没有明显变化. 图7(b)—(d)显示基底NxG (x = 1, 2, 3)的狄拉克锥点随着氮浓度的增加而左移(下移). 氧分子自旋向上和自旋向下的能级位置没有明显变化. 电子结构分析与前面的氧分子吸附性质是一致的.
2
3.3.讨 论
由前面的分析可知, 氧分子在NxG (x = 0, 1, 2, 3)基底上吸附的异构体能量差别很小(详见补充材料的图S3—图S7 (online)), 说明氧分子是随机吸附在NxG (x = 0, 1, 2, 3)基底上. 为了理解不同吸附异构体对氧分子还原的影响, 计算了NxG-O2 (x = 0, 1, 2, 3)所有异构体的氧分子获得电荷及氧分子键长, 见图8. 可以看出氮原子掺杂石墨烯明显增多了氧分子获得的电荷量, 增加了氧分子的键长, 提高了对氧分子的还原. 但是, 随着氮掺杂浓度的提高, 氧分子获得的电荷量及氧分子键长并没有明显的变化, 结论与前面分析一致.图 8 NxG-O2(x = 0, 1, 2, 3)不同异构体的氧分子获得电荷 (a)及键长(b)统计
Figure8. Charges (a) and O—O distances (b) of isomers of NxG-O2 (x = 0, 1, 2, 3).
由以上分析得知, 氮原子掺杂石墨烯大大提高了对氧分子的还原, 但是对氧分子的还原能力随着我们考虑的三种氮掺杂浓度(一氮掺杂3.13 at%, 二氮掺杂6.25 at%, 三氮掺杂9.38 at%)的增加并不明显. 为此, 我们进一步考虑了三种不同大小的超胞作为基底, 即氮原子分别掺杂3 × 3 × 1, 4 × 4 × 1, 5 × 5 × 1的石墨烯超胞, 相应的氮掺杂浓度分别为5.56 at%, 3.13 at%, 2.00 at%. 三种超胞吸附氧分子的稳定结构如图9所示, 对氧分子的相关吸附性质列于表2. 由表2可以看出掺杂浓度为3.13 at%时的吸附能最大, O—O键长最长, 氧分子离基底的距离最小, 氧分子与氮原子分别获得的电荷最多, 说明3.13 at%的氮原子掺杂比例比较合适, 浓度过大或过小都达不到最好的效果. 另外, 为了说明不同氧分子覆盖度对氧分子吸附能的影响, 同样计算了氧分子分别吸附在3 × 3 × 1, 4 × 4 × 1和5 × 5 × 1的石墨烯超胞上, 发现吸附能分别是0.10, 0.13和0.11 eV, 此结果并不影响我们对最佳氮掺杂浓度的判断.
图 9 GN 吸附氧分子的最稳定构型(碳原子、氮原子和氧原子分别用灰色、蓝色和红色小球表示) (a) 3 × 3 × 1 GN-O2; (b) 4 × 4 × 1 GN-O2; (c) 5 × 5 × 1 GN-O2
Figure9. Optimal structures of GN-O2: (a) 3 × 3 × 1 GN-O2; (b) 4 × 4 × 1 GN-O2; (c) 5 × 5 × 1 GN-O2. The C atom, N atom, and O atom are represented by grey, blue, and red spheres, respectively.
NG-O2 | Ead/eV | dO—O/? | $ d_{{\rm O}_2\text{-}{\rm NG}}$/? | $ Q_{{\rm O}_2}$/e | QN/e | $d_{{\rm O}_2\text{-}{\rm N}} $/? | N含量/at% |
3 × 3 × 1 | 0.27 | 1.257 | 2.937 | –0.19 | –1.23 | 3.011 | 5.56 |
4 × 4 × 1 | 0.31 | 1.261 | 2.896 | –0.22 | –1.24 | 2.969 | 3.13 |
5 × 5 × 1 | 0.20 | 1.254 | 2.977 | –0.20 | –1.14 | 3.056 | 2.00 |
表2不同N掺杂石墨烯基底吸附氧分子的相关性质
Table2.Adsorption properties of O2 molecule on the 3 × 3 × 1 GN-O2, 4 × 4 × 1 GN-O2, and 5 × 5 × 1 GN-O2.