华北理工大学机械工程学院Tao Chen等--基于密度泛函理论的氟离子在本征、硼掺杂和铝掺杂石墨烯上的吸附特性分析

生活污水中的氟排放是造成严重环境问题的主要原因。本文用密度泛函理论研究了F^-离子和HF分子在本征石墨烯、硼掺杂石墨烯和铝掺杂石墨烯上的吸附特性。通过对能带结构、几何结构、吸附能、电荷转移、电荷密度、态密度和前沿轨道的分析，发现F^-离子和HF分子在本征石墨烯和HF分子在硼掺杂石墨烯上的吸附较弱，仅为物理吸附。当F^-离子和HF分子吸附在铝掺杂石墨烯上，F^-离子吸附在硼掺杂石墨烯上时，吸附能、电荷转移和电荷密度都大大增加，吸附距离显著减小，通过电荷密度和态密度分析，发现存在明显的杂化现象。通过比较能带间隙的变化，还可以发现铝掺杂石墨烯对F^-离子更为敏感。本研究为基于石墨烯的氟传感器的应用提供了理论指导。

图1. 物理模型.(a)本征石墨烯.(b)B-掺杂石墨烯.(c)Al-掺杂石墨烯。

图2.能带结构.(a)本征石墨烯.(b)B-掺杂石墨烯.(c)Al-掺杂石墨烯。

图3. 电荷密度.(a)本征石墨烯-T-F^-.(b)B-掺杂石墨烯-T-F^-.(c)Al-掺杂石墨烯-T-F。

图4. 态密度.(a)本征石墨烯-T-F^-.(b)B-掺杂石墨烯-T-F^-.(c)Al-掺杂石墨烯-T-F。

图5. 电荷密度.(a)本征石墨烯-HF-F.(b)本征石墨烯-HF-H.(c)B-掺杂石墨烯-HF-F.(d)B-掺杂石墨烯-HF-H.(e)Al-掺杂石墨烯-HF-F。

  图6. 态密度. (a)本征石墨烯-HF-F.(b)本征石墨烯-HF-H.(c)B-掺杂石墨烯-HF-F.(d)B-掺杂石墨烯-HF-H.(e)Al-掺杂石墨烯-HF-F。

相关研究成果由华北理工大学机械工程学院Tao Chen等人于2021年发表在Journal of Molecular Modeling (https://doi.org/10.1007/s00894-021-04683-7)上。原文：A DFT-based analysis of adsorption properties of fluoride anion on intrinsic, B-doped, and Al-doped graphene。