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系統識別號 U0002-2506201420435500
中文論文名稱 金屬離子與氣體分子吸附於石墨烯奈米盤之理論計算研究
英文論文名稱 Theoretical Investigation of Metal Ions and Gas Molecules Adsorbing in Graphene Nanodisks
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemistry
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 林致勳
研究生英文姓名 Chih-Hsun Lin
學號 601160129
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-06-17
論文頁數 78頁
口試委員 指導教授-王伯昌
委員-鄧金培
委員-李錫隆
中文關鍵字 石墨烯奈米盤  吸附 
英文關鍵字 graphene nanodiks  absorption 
學科別分類 學科別自然科學化學
中文摘要 石墨烯(Graphene)是以碳原子的sp2鍵結組成的六角形結構,由2-D無限延伸的薄膜,若做有限度的切割,則會產生許多不同形貌的石墨烯奈米盤(Graphene nanodisks),本實驗以相似的碳數不同的形貌來比較電子結構與光學性質。因Graphene表面有想當大面積未定域化的Pπ電子可與化合物產生化學反應及金屬原子吸附,若與O3反應可成為環氧基進而脫去碳原子的缺陷現象,並可稱為孔洞石墨烯(nanoporous graphene),nanoporous graphene可與金屬離子吸附,也用於海水淡化,其與金屬離子吸附情形類似於紫質,所以其與金屬離子吸附能也將在本實驗中做一系列的探討,金屬離子將使用IA、IIA族金屬M = Li+, Na+, Mg2+, Ca2 +, Sr2+;過度金屬則選Fe2+離子,用多的d軌域來吸附O2與CO,期望經由能隙的改變作為氣體偵測的一種方式。
英文摘要 Graphene is a 2-D of carbon as sp2 hybridization bonding with hexagonal shaped extension. It can be described as one layer graphite with one-atom thick. Since graphene contains unique properties (strong, light, excellent conductor and nearly transparent), it should be applied in several chemistry fields (electronic material device, analytical chemistry, …). The large pπ delocalization area absorbed metal atom and other chemical compounds. O3 could react with graphene producing the oxide graphene, and then could be defected-graphene. Defected-graphene (like nanoprous graphene) could be considered as ideal membrane desalination as water or other analytical chemistry using. In the present proposal, the quantum chemistry calculation method could be applied to generate the bind energy and nanoscale structure. According to our previous structure analysis of hexagonal shaped graphene, the calculated Eg of C400 closed to that of real graphene. So, we will use C400 to simulate the absorption phenomena and bind energy of M/graphene with M = Li, Na, Al, Mg, Ca, … The calculated absorption and binding energy of M ion/nanoprous graphene are investigated also. The triangular and square shaped graphene with size and terminated effect are included in this proposal.
論文目次 目錄
中文摘要------------------------------------------------- I
英文摘要------------------------------------------------- II
目錄---------------------------------------------------- III
圖目錄--------------------------------------------------- IV
表目錄--------------------------------------------------- VI
第一章 簡介
1-1 石墨烯與石墨烯奈米盤的介紹------------------------------ 1
1-2 論文回顧--------------------------------------------- 7
1-3 研究動機--------------------------------------------- 10
第二章 原理及方法
2-1 密度泛函理論------------------------------------------ 12
2-2 SIESTA計算方法-------------------------------------- 18
2-3 實驗方法--------------------------------------------- 23
第三章 結果與討論
3-1 石墨烯奈米盤的電子結構與光學性質------------------------- 24
3-1-1外圍氯取代------------------------------------------ 24
3-1-2環氧基、臭氧修飾------------------------------------- 29
3-2 六角形缺陷石墨烯奈米盤的吸附----------------------------- 33
3-2-1 IA、IIA離子吸附後的電子結構-------------------------- 33
3-2-2過渡金屬離子吸附後的電子結構---------------------------- 41
3-2-3一氧化碳與氧氣的吸附---------------------------------- 51
結論---------------------------------------------------- 61
未來展望------------------------------------------------- 63
參考資料------------------------------------------------- 64
附錄---------------------------------------------------- 66

圖表目錄
圖1、(a)為扶手椅形之邊界圖;(b)為鋸齒形之邊界圖--------------------- 3

圖2、(a1)與(a2)分別為扶手椅形與鋸齒型之六角形石墨烯奈米盤;(b1)與(b2)分別為扶手椅形與鋸齒形之三角形石墨烯奈米盤;(c1)與(c2)分別為扶手椅形與鋸齒形之四邊形石墨烯奈米盤;(d1)與(d2)為扶手椅形與鋸齒形共存之四邊形石墨烯奈米盤----------------------------------------------------- 4

圖3、(a)計算碳原子數目示意圖-三角形扶手椅形石墨烯奈米盤;(b)計算碳原子數目示意圖-三角形鋸齒形石墨烯奈米盤------------------------------ 5

圖4、(a)計算碳原子數目示意圖-平行四邊形扶手椅形石墨烯奈米盤;(b)計算碳原子數目示意圖-平行四邊形鋸齒形石墨烯奈米盤----------------------
5

圖5、計算碳原子數目示意圖-長方形石墨烯奈米盤;a軸為以扶手椅形邊界擴散、b軸為以鋸齒形邊界擴散------------------------------------------ 6

圖6、LDA假設在在r點附近距離以dr繞成的體積內的電荷密度為常數;圖片節錄自[22]------------------------------------------------------- 16

圖7、平面波基函數與軌域基函數對計算總能量收歛比較圖---------------- 22

圖8、在不同基函數計算總能量與晶格常數變化圖------------------------ 22

圖9、外圍氯化之石墨烯奈米盤晶體結構圖;(a) C42Cl18 (1); (b) C48Cl18 (2); (c) C60Cl22 (3); (d) C60Cl24 (4); and (e) C96Cl27H3;節錄自[17]------------------- 24

圖10、(a)扶手椅形之三角形石墨烯奈米盤俯視圖與側視圖;(b1)與(b2)分別為扶手椅形與鋸齒形之平行四邊形石墨烯奈米盤俯視圖與側視圖;(c1)與(c2)分別為扶手椅形與鋸齒形之長方形石墨烯奈米盤俯視圖與側視圖;(d1)與(d2)為扶手椅形與鋸齒形共存之四邊形石墨烯奈米盤俯視圖與側視圖------------- 26
27

圖11、扶手椅形六角形石墨烯奈米盤(hex-AC-C84)之鍵長分析示意圖;節錄自[2]---------------------------------------------------------------- 29

圖12、(a)、(b)為環氧基與臭氧反應在外圍最短鍵b;(c)、(d) 為環氧基與臭氧反應在外圍最長鍵d;(e)、(f)為為環氧基與臭氧反應在內部鍵k ----------- 30

圖13、氧化反應於扶手椅形六角形石墨烯奈米盤之總能比較圖,type I為氧化反應在外圍;type II為氧化反應在中心---------------------------------- 31


圖14、(a)六角形石墨烯奈米盤中心苯環接滿epoxy之側視圖;(b)六個碳原子脫離後之缺陷孔洞六角形石墨烯奈米盤俯視圖;(c)氧原子摻雜後之缺陷孔洞六角形石墨烯奈米盤俯視圖------------------------------------------ 33
34

圖15、(a) 1、m、s分別為三種金屬離子吸附的起始點;(b)Li+吸附於孔洞後之電子結構;(c)Na+吸附於孔洞後之電子結構;(d)Mg2+吸附於孔洞後之電子結構;(e)Ca2+吸附於孔洞後之電子結構;(f)Sr2+吸附於孔洞後之電子結構------- 35
36

圖16、(a) Mg2+吸附後之HOMO圖;(b)Mg2+吸附後之LUMO圖------------ 37

圖17、(a) 兩個碳原子脫離並以氧取代後之缺陷孔洞六角形石墨烯奈米盤;(b)Li+吸附後之電子結構;(c) Mg2+吸附後之電子結構---------------------- 39

圖18、不同缺陷孔徑大小之扶手椅形六角形缺陷石墨烯奈米盤的鍵結能柱狀圖;d6O缺陷的孔洞大小為5.3 A;d2O缺陷的孔洞大小為3.97 A------------- 39

圖19、(a) Fe2+吸附於缺陷孔洞六角形石墨烯奈米盤之電子結構;(b) Co2+吸附於缺陷孔洞六角形石墨烯奈米盤之電子結構;(c) Zn2+吸附於缺陷孔洞六角形石墨烯奈米盤之電子結構--------------------------------------------- 41

圖20、(a) Fe2+吸附後之HOMO電子雲分佈俯視圖;(b) Fe2+吸附後之HOMO電子雲分佈側面圖;(c) Fe2+吸附後之LUMO電子雲分佈俯視圖------------ 42

圖21、過渡金屬離子吸附於扶手椅形六角形缺陷石墨烯奈米盤的鍵結能柱狀圖----------------------------------------------------------------- 43

圖22、Fe2+離子吸附於扶手椅形六角形缺陷石墨烯奈米盤孔徑為3.97 A的電子結構------------------------------------------------------------ 44

圖23、IA、IIA與過渡金屬離子吸附於不同孔徑大小的石墨烯奈米盤之鍵結能比較圖------------------------------------------------------------- 45

圖24、(a)、(b)外圍未取代與外圍氯化之石墨烯奈米盤(孔徑 = 5.3 A)俯視圖;(c)、(d) 外圍未取代與外圍氯化之石墨烯奈米盤(孔徑 = 5.3 A)側視圖;(e)、(f) 外圍未取代與外圍氯化之石墨烯奈米盤(孔徑 = 3.97 A)俯視圖;(g)、(h) 外圍未取代與外圍氯化之石墨烯奈米盤(孔徑 = 3.97 A)側視圖----------------- 46
47

圖25、(a)Fe2+吸附於缺陷孔洞石墨烯奈米盤(孔徑 = 5.3 A)俯視圖與側視圖;(b) Fe2+吸附於缺陷孔洞石墨烯奈米盤(孔徑 = 3.97 A)俯視圖與側視圖------- 48

圖26、Fe2+離子吸附於不同缺陷孔徑之外圍氯化與未取代之石墨烯奈米盤Eb比較圖------------------------------------------------------------- 49

圖27、(a)一氧化碳以垂直的方式吸附於含Fe2+離子缺陷孔徑(5.3 A)石墨烯奈米盤俯視圖與側視圖;(b)氧氣以垂直的方式吸附於含Fe2+離子缺陷孔徑(5.3 A)石墨烯奈米盤俯視圖與側視圖;(c)氧氣以水平的方式吸附於含Fe2+離子缺陷孔徑(5.3 A)石墨烯奈米盤俯視圖與側視圖------------------------------- 51
52

圖28、(a)一氧化碳以垂直的方式吸附於含Fe2+離子缺陷孔徑(5.3 A)石墨烯奈米盤俯視與側視HOMO圖;(b) 一氧化碳以垂直的方式吸附於含Fe2+離子缺陷孔徑(5.3 A)石墨烯奈米盤俯視與側視LUMO圖;(c)氧氣以水平的方式吸附於含Fe2+離子缺陷孔徑(5.3 A)石墨烯奈米盤俯視與側視HOMO圖;(d)氧氣以水平的方式吸附於含Fe2+離子缺陷孔徑(5.3 A)石墨烯奈米盤俯視與側視LUMO圖---------------------------------------------------------- 53
54

圖29、氣體分子吸附於外圍氯化後含Fe2+離子缺陷孔徑(5.3 A)石墨烯奈米盤(a)一氧化碳以垂直的方式吸俯視圖;(b) 一氧化碳以垂直的方式吸附側視圖;(c) 氧氣以垂直的方式吸附俯視圖;(d) 氧氣以垂直的方式吸附側視圖;(e) 氧氣以水平的方式吸附俯視圖;(f)氧氣以水平的方式吸附俯視圖---------------- 55
56

圖30、氣體分子吸附於外圍未取代和外圍氯化後含Fe2+離子缺陷孔徑(5.3A)石墨烯奈米盤之鍵結能分析比較圖------------------------------------- 58

圖31、一氧化碳分子以垂直形式吸附於含Fe2+離子缺陷孔徑(3.97 A)石墨烯奈米盤之電子結構(a)俯視;(b)側視圖------------------------------------- 59

圖32、一氧化碳吸附於不同孔徑含Fe2+離子外圍-H或-Cl石墨烯奈米盤Eb圖 60

表1、Ca2+離子於不同起始點吸附後之總能結果表------------------------ 35

表2、IA與IIA族離子吸附於扶手椅形六角形缺陷石墨烯奈米盤的結果表--- 37

表3、L+與Mg2+離子吸附於扶手椅形六角形缺陷石墨烯奈米盤的結果表----- 39

表4、過渡金屬離子與吸附於扶手椅形六角形缺陷石墨烯奈米盤的結果表---- 42

表5、Fe2+離子與吸附於不同缺陷孔徑之石墨烯奈米盤的結果表------------ 44

表6、Fe2+離子吸附於不同缺陷孔徑之外圍氯化石墨烯奈米盤結果表-------- 48

表7、Fe2+離子吸附於不同缺陷孔徑之外圍氯化與未取代之石墨烯奈米盤Eb表----------------------------------------------------------------- 49

表8、一氧化碳與氧氣吸附於含Fe2+離子缺陷孔徑石墨烯奈米盤結果表------ 53

表9、氣體分子吸附於外圍氯化後含Fe2+離子缺陷孔徑石墨烯奈米盤結果表-- 57

表10、氣體分子吸附於外圍未修飾和外圍氯化後系統Eb表---------------- 58

表11、一氧化碳吸附於不同孔徑含Fe2+離子石墨烯奈米盤結果表----------- 59

表12、一氧化碳吸附於不同孔徑含Fe2+離子外圍-H或-Cl石墨烯奈米盤Eb表 60

表13、缺陷孔洞內碳原子以氧或氮置換之結構表------------------------- 63
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