本文關鍵詞：石墨烯基復合材料用于CO_2光催化還原的第一性原理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：由于化石燃料的廣泛使用，在大氣中的二氧化碳濃度逐年迅速增加，這已成為一個嚴重的全球問題。另一方面，由于煤炭、石油和天然氣等的大量消耗也引起了全球范圍內(nèi)的能源短缺問題。因此，對CO_2進行有效回收和利用具有解決能源及環(huán)保問題的雙重意義。迄今為止，在眾多的的轉(zhuǎn)換方法中，通過光催化反應將CO_2轉(zhuǎn)化為具有高附加值的化工產(chǎn)品或有機燃料是最具有發(fā)展前途的一個有效技術手段。 量子化學理論研究的迅速發(fā)展以及計算機性能的快速提高，使得較精確地處理復雜的催化體系成為可能。本文在第一性原理計算的基礎上，研究金屬-石墨烯復合體系對CO_2的吸附活化和催化還原過程；通過理論計算和分析進行催化劑的篩選。 在光催化CO_2的反應體系中，CO_2的吸附活化是一個關鍵步驟；不同的活化方式和CO_2的活化態(tài)決定了其反應路線和最終產(chǎn)物。以金屬-石墨烯體系為研究對象，采用密度泛函理論方法，結(jié)合局域密度近似（LDA）和PWC泛函，計算了該體系在CO_2吸附前后的幾何結(jié)構、能量、電荷分布和態(tài)密度等的變化。計算結(jié)果表明：電子從金屬-石墨烯體系轉(zhuǎn)移到CO_2，使CO_2帶負電并活化；其中Cu-G體系對CO_2的活化效果最好，C-O鍵長分別增加6和14pm，O-C-C鍵角減小為122°；金屬原子簇和石墨烯的第一電離能和電子親和勢對電子的轉(zhuǎn)移起了決定性作用，金屬原子簇電子親和勢比石墨烯第一電離能越大，電荷越易從石墨烯轉(zhuǎn)移到金屬原子簇。 CO_2在Cu-G上吸附活化之后，將發(fā)生催化還原的反應。本文最后采用DFT計算方法，結(jié)合B3LYP雜化泛函分別對Cu-G體系和Cu簇合物體系作為催化劑催化還原CO_2反應過程進行了研究。討論了催化反應歷程中，兩個體系反應路徑、幾何結(jié)構變化、基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量變化和電子結(jié)構變化等性質(zhì)。結(jié)果表明，在不考慮激發(fā)概率和激發(fā)態(tài)壽命的前提下，從反應熱力學和動力學兩個角度看，Cu-G體系滿足用于光催化還原CO_2催化劑的條件。反應需要波長小于604.8nm的光的激發(fā)，并需要克服的91.6kJ·mol~(-1)反應勢壘，，即可將CO_2還原生成HCOOH。而Cu簇合物體系催化過程中，沿基態(tài)和激發(fā)態(tài)反應路徑進行需要分別克服125.4kJ·mol~(-1)和146.7kJ·mol~(-1)的勢壘，因此其不適合作為CO_2光催化還原的催化劑。
【關鍵詞】：二氧化碳 石墨烯 金屬 催化劑 第一性原理計算
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：O643.32
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-21
• 1.1 課題背景及研究目的和意義9-12
• 1.1.1 碳氫燃料和當前世界存在的問題9
• 1.1.2 二氧化碳資源化9-11
• 1.1.3 研究目的11-12
• 1.1.4 課題意義12
• 1.2 石墨烯與第一性原理基礎理論12-14
• 1.2.1 石墨烯12-13
• 1.2.2 理論基礎13-14
• 1.3 國內(nèi)外在該方向的研究進展及分析14-19
• 1.3.1 實驗進展14-18
• 1.3.2 分子模擬進展18-19
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容19-21
• 第2章 計算軟件及計算方法21-26
• 2.1 計算所用軟件21-22
• 2.1.1 Gaussian21
• 2.1.2 Materials Studio21-22
• 2.2 計算方法22-26
• 2.2.1 金屬石墨烯體系性質(zhì)計算方法23-24
• 2.2.2 光催化還原反應動力學計算方法24-26
• 第3章 金屬石墨烯體系性質(zhì)研究26-41
• 3.1 引言26
• 3.2 M-G 體系計算結(jié)果與分析26-35
• 3.2.1 幾何結(jié)構26-29
• 3.2.2 結(jié)合能29-30
• 3.2.3 Mulliken 電荷分布與電子轉(zhuǎn)移30-32
• 3.2.4 態(tài)密度32-35
• 3.3 CO_2-M-G 體系的計算結(jié)果與分析35-40
• 3.3.1 CO_2-M-G 體系幾何結(jié)構35-36
• 3.3.2 電荷分布與電荷轉(zhuǎn)移36-37
• 3.3.3 態(tài)密度分析37-40
• 3.4 本章小結(jié)40-41
• 第4章 CO_2光催化還原反應動力學研究41-56
• 4.1 引言41
• 4.2 Cu-G 體系光催化還原 CO_2反應動力學41-49
• 4.2.1 反應路徑42-43
• 4.2.2 反應過程幾何結(jié)構變化43-45
• 4.2.3 反應能量變化45-47
• 4.2.4 電子結(jié)構改變47-49
• 4.3 Cu 簇合物光催化還原 CO_2反應動力學49-54
• 4.3.1 反應路徑50
• 4.3.2 反應過程幾何結(jié)構變化50-52
• 4.3.3 反應能量變化52-53
• 4.3.4 電子結(jié)構變化53-54
• 4.4 Cu-G 體系和 Cu 簇合物體系催化性能比較54-55
• 4.5 本章小結(jié)55-56
• 結(jié)論56-57
• 參考文獻57-63
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其它成果63-65
• 致謝65

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1 ;焦爐中石墨掛結(jié)的處理[J];鋼鐵;1960年04期

2 郭文全,韓耀文;真空鍍鋁用石墨坩蝸的研究[J];真空;1989年03期

3 任京成，王建利;南墅石墨礦石墨精選工藝研究[J];礦產(chǎn)綜合利用;1994年04期

4 譚敦強,黎文獻;石墨與Al-Ti合金反應生成TiC粒子的機理[J];鑄造;2002年05期

5 ;美國專家證明石墨烯是強度最高材料[J];中國非金屬礦工業(yè)導刊;2009年01期

6 陳利;龐秀江;;乙炔黑與石墨填充天然橡膠的性能研究[J];青島科技大學學報(自然科學版);2009年04期

7 ;加州大學制備出半導體性介孔石墨稀[J];化工中間體;2010年03期

8 黃少文;陳光華;鄧敏;唐明述;;石墨 碳纖維水泥基復合材料的電磁屏蔽效能[J];硅酸鹽學報;2010年04期

9 楊潔;劉才龍;吳寶嘉;;高壓下石墨超硬相的電阻率測量[J];吉林大學學報(理學版);2011年01期

10 ;美國用蔗糖制造出石墨烯[J];化學與生物工程;2011年03期

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1 徐偉高;凌曦;張錦;;基于石墨烯的綠色表面增強拉曼光譜技術[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

2 張慧慧;孟慶元;劉強;馮科;陳彬;佟振合;吳驪珠;;光化學還原石墨烯氧化物[A];中國化學會第28屆學術年會第11分會場摘要集[C];2012年

3 石高全;白華;王西鸞;徐宇曦;劉安然;;石墨烯的化學可控組裝與復合[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

4 溫燕勤;李迪;樊春海;;石墨烯納米探針對金屬銀離子的檢測[A];第一屆全國生物物理化學會議暨生物物理化學發(fā)展戰(zhàn)略研討會論文摘要集[C];2010年

5 喬志鳳;呂夢娜;魏俊發(fā);;新型石墨烯配體合成及性質(zhì)研究[A];中國化學會第28屆學術年會第6分會場摘要集[C];2012年

6 凌曦;L.G.Moura;張錦;Marcos.A.Pimenta;;石墨烯增強拉曼散射效應的激發(fā)波長依賴性研究[A];中國化學會第28屆學術年會第4分會場摘要集[C];2012年

7 李波;周琳;吳迪;彭海琳;劉忠范;;石墨烯的光氯化反應及化學衍生物制備[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

8 甘霖;谷航;李丹娜;王振興;郭雪峰;;石墨烯表面的氣相反應修飾[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

9 凌曦;張錦;;石墨烯增強拉曼散射——分子構型依賴性[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

10 龍吟;陶呈安;夏林;朱慧;王建方;;改進型Hummers法制備石墨烯及其表征[A];中國化學會第28屆學術年會第4分會場摘要集[C];2012年

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1 證券時報記者 向南;石墨烯貴過黃金15倍 生產(chǎn)不易炒作先行[N];證券時報;2010年

2 本報記者 紀愛玲;石墨烯：市場未啟 炒作先行[N];中國高新技術產(chǎn)業(yè)導報;2011年

3 本報記者 鄭惠榮;石墨還能熱多久？[N];中國建材報;2004年

4 于德福;石墨：優(yōu)勢為何喪盡[N];中國礦業(yè)報;2002年

5 梁悅龍 本報記者 于敬文;打造“石墨之都”邁出闊步[N];雞西日報;2010年

6 本報記者 張潔;石墨烯概念過度炒作恐成浮云[N];中國證券報;2011年

7 本報記者 馮衛(wèi)東　王小龍;未來晶體管由石墨烷造[N];科技日報;2009年

8 馮衛(wèi)東;超材料石墨烯開發(fā)取得重大突破[N];科技日報;2010年

9 王廣駒提供;石墨國際貿(mào)易活躍需求旺盛[N];中國建材報;2004年

10 王光普;扼制石墨市場無序競爭[N];中國企業(yè)報;2005年

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1 劉恩周;非稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料改性納米TiO_2可見光催化還原CO_2研究[D];西北大學;2012年

2 王崇;石墨烯中缺陷修復機理的理論研究[D];吉林大學;2013年

3 徐華;石墨烯界面電荷轉(zhuǎn)移的拉曼光譜研究[D];蘭州大學;2012年

4 姜立偉;關于石墨烯電子結(jié)構調(diào)控的理論探討[D];吉林大學;2013年

5 劉正方;石墨烯基微納結(jié)構中自旋相關的電子輸運特性研究[D];南昌大學;2013年

6 黃鴻雁;高功率軸快流CO_2激光器氣體流場及熱交換的模擬與優(yōu)化[D];華中科技大學;2011年

7 劉引烽;配位轉(zhuǎn)化法制備納米MS（M=Cd，Zn）原理、動力學及其光催化CO_2還原性能[D];上海大學;2004年

8 魏曉林;石墨烯結(jié)構與性能調(diào)控理論研究[D];湘潭大學;2011年

9 張芳;大氣CO_2、CH_4和CO濃度資料再分析及源匯研究[D];中國氣象科學研究院;2011年

10 衛(wèi)靜;TiO_2基納米材料光催化還原CO_2研究[D];天津大學;2011年

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1 陳小康;石墨烯基復合材料用于CO_2光催化還原的第一性原理研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2013年

2 涂國營;二維石墨烯和C_(60)電子輸運性質(zhì)的量子化學研究[D];蘭州大學;2010年

3 杜菲菲;稀土、銅改性納米TiO_2光催化還原CO_2的研究[D];天津大學;2010年

4 杜娟;Ni/石墨/BaTiO_3基復合PTC材料的研究[D];天津大學;2004年

5 翁建新;環(huán)氧樹脂/石墨微片復合導電材料的研究[D];華僑大學;2003年

6 崔振宇;鋰離子電池石墨負極材料改性研究[D];遼寧工程技術大學;2003年

7 肖輝;石墨/氧化物復合粉體的制備及性能研究[D];武漢理工大學;2004年

8 朱延東;鑄態(tài)鐵素體低碳球墨鑄鐵的研究[D];昆明理工大學;2005年

9 丁建軍;空氣中激光燒蝕石墨等離子體光譜研究[D];吉林大學;2006年

10 溫凱;金屬離子摻雜TiO_2納米管制備及光催化還原CO_2性能研究[D];西北大學;2011年

  本文關鍵詞：石墨烯基復合材料用于CO_2光催化還原的第一性原理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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