华北电力大学能源动力与机械工程学院–As4在掺Ti, V, Cr, Mn的石墨烯上吸附的密度泛函理论研究

煤的气化技术可以有效地解决洁净煤的利用问题，但煤气化过程中砷等有害金属的挥发问题也不容小觑。本文基于密度泛函理论（DFT），研究了As₄在不同碳基单原子Ti/V/Cr/Mn吸附剂(氮原子掺杂、单空位和双空位)表面的吸附特性。分析了单原子吸附剂的几何形状、吸附构型、吸附能、电子结构、电子密度等数据。通过对比分析16种吸附剂的计算结果，发现双缺氮掺杂基底的催化剂具有较高的稳定性。通过对电荷转移和态密度的分析，发现单原子吸附剂催化剂对As₄的吸附与电荷转移和杂化有关。特别是氮原子的掺杂可以增强体系的电荷转移和杂化能力。在16种吸附剂中，双空位氮掺杂钛催化剂是一种很有前途的As₄吸附剂，为进一步研究单原子催化剂表面吸附有毒气体和设计新型非金属吸附剂提供了参考。

图1. 过渡元素掺杂石墨烯的几何构型。

图2. As₄的几何结构。

图3. As₄在Ti/SV-GN上的三种可能吸附构型。

图4. Ti/GS最稳定的四种吸附构型。

图5. V/GS最稳定的四种As₄吸附构型。

图6. Cr/GS最稳定的三种As₄吸附构型。

图7. Mn/GS最稳定的三种As₄吸附构型。

图8. TE/GS催化剂上气体吸附总的态密度。

图9. TE/GS上As₄的吸附能。

图10. 四种不同Ti/GS吸附体系的PDOS吸附曲线。

图11. 四种不同V/GS吸附体系的PDOS吸附曲线。

图12. 三种不同的Cr/GS吸附系统的PDOS吸附曲线。

图13. 三种不同Mn/GS吸附体系的PDOS吸附曲线。

图14. 四种不同Ti / GS吸附系统的电子局域函数。

图15. 四种不同的V / GS吸附系统的电子局域函数。

图16. 三种不同的Cr / GS吸附系统的电子局域函数。

图17. 三种不同Mn / GS吸附系统的电子局域函数。

相关研究成果由华北电力大学能源动力与机械工程学院Shengxuan Luo等人于2022年发表在Surface Science (https://doi.org/10.1016/j.susc.2022.122049)上。原文：Density functional theory investigation of As₄ adsorption on Ti, V, Cr, Mn-doped graphene。