《金屬表面石墨烯早期成核過程的分子動力學研究》是依託河南師範大學，由付召明擔任項目負責人的專項基金項目。
基本介紹
- 中文名：金屬表面石墨烯早期成核過程的分子動力學研究
- 項目類別：專項基金項目
- 項目負責人：付召明
- 依託單位：河南師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
石墨烯在金屬表面成核的動力學過程的研究具有雙重意義。首先，該過程與石墨烯納米材料的生長和製備密切相關。如實驗上最常見的氣相沉積法製備石墨烯，其過程本質上是金屬上吸附碳或偏析碳的自組裝動力學行為。其次，在固體氧化物燃料電池陽極的金屬鎳催化劑上，普遍存在碳沉積現象，這將導致催化劑失活。碳沉積本質上也是大量碳原子在鎳表面上的成核與生長。並且實驗上已經發現沉積碳主要以石墨烯孤島的形式存在，除此之外還有填隙碳和無定型碳。石墨烯製備和積碳現象是同一過程的兩個不同方面，其區別在於：前者是人們期望的過程，而後者是人們不希望發生的過程。.本課題擬採用周期性超元胞模型模擬金屬表面和團簇，基於第一性的分子動力學方法對碳在金屬表面上的成核過程進行研究，以期為提高石墨烯製備中的可操控性和解決SOFC陽極碳沉積問題提供理論的參考和指導
結題摘要
該項目的研究分為兩個方面：一方面，基於化學氣相沉積法在過渡金屬表面生長和製備石墨烯目前被認為是一種很有發展潛力的合成高質量石墨烯的手段。然而，目前發展和改善該方法的主要障礙是缺乏對其在原子層面上的微觀生長過程機制的理解。這種認識和理解的不足主要是源於影響石墨烯生長的因素太多，而在實驗上又很難觀察到石墨烯生長的微觀過程，尤其是早期成核過程。基於密度泛函理論的計算機模擬可以在很大程度上彌補實驗研究的不足。該部分的研究可以分為三個步驟：首先，我們的理論計算揭示了金屬襯底的缺陷可以誘導碳原子聚集，並且形成的團簇結構與在完美的襯底表面是很不相同的。其次，在最近的實驗研究中，襯底合金化已經被用於改善石墨烯的生長。但合金化影響石墨烯生長的機制也是很不清楚的。我們以銅鎳合金為例研究了石墨烯在合金表面的早期成核過程。其結果表明襯底合金化對碳原子的二聚化有顯著影響。碳二聚體的吸附能和二聚化勢壘都明顯不同於純淨金屬表面。此外，碳原子的遷移能力也可以通過不同的合金化比例調控。最後，我們研究了碳團簇（包含一維碳鏈結構和二維孤島結構）在過渡金屬鎳襯底（111）表面上的遷移和結合。這對理解石墨烯早期生長是至關重要的。我們發現一維團簇和二維團簇所偏愛的生長模式是不一樣的。另一個有趣的發現是兩種碳團簇與碳原子相比都有很好的表面遷移活性。基於計算得到的可能生長模式，我們討論了在氣相沉積法中石墨烯缺陷的形成機制。另一方面，在固體氧化物燃料電池鎳基催化劑陽極，碳的沉積生長是一個極為普遍的不利現象，其本質也是大量從碳氫化合物燃料中解離出來的C的自組裝生長。而我們在該部分將集中研究如何抑制固體氧化物燃料電池鎳基陽極的碳沉積問題。我們模擬計算了在鎳及其合金表面甲烷的解離，碳團簇的吸附，二聚化等重要積碳過程。此外，我們研究了鎳與釔穩定的氧化鋯的三相邊界處的碳沉積問題。結果表明在三相邊界處的氧空位更容易誘導碳沉積現象的發生。總之，我們的研究成果對金屬表面石墨烯生長和固體氧化物陽極抑制積碳問題提供了新的理解。
