二氧化碳分子在铁掺杂石墨烯表面吸附的密度泛函理论研究

《二氧化碳分子在铁掺杂石墨烯表面吸附的密度泛函理论研究》是一篇基于密度泛函理论（DFT）的计算化学论文，旨在探讨二氧化碳（CO₂）分子在铁掺杂石墨烯表面的吸附行为。该研究对于理解新型材料在气体捕获、环境治理以及催化反应中的应用具有重要意义。

石墨烯作为一种二维碳材料，因其独特的物理和化学性质而备受关注。然而，纯石墨烯对气体分子的吸附能力较弱，限制了其在实际应用中的表现。为了改善这一性能，研究人员尝试通过掺杂金属元素来调控石墨烯的电子结构和表面性质。其中，铁（Fe）作为一种常见的过渡金属，被广泛用于催化剂设计中，因此成为研究的热点。

本文采用密度泛函理论方法，构建了铁掺杂石墨烯的模型，并模拟了CO₂分子在其表面的吸附过程。通过计算吸附能、电荷转移、态密度等关键参数，研究者分析了CO₂分子与铁掺杂石墨烯之间的相互作用机制。结果表明，铁原子的引入显著增强了石墨烯对CO₂分子的吸附能力。

在吸附过程中，CO₂分子通常以不同的构型与铁掺杂石墨烯发生相互作用，包括垂直吸附和侧向吸附两种主要形式。研究发现，垂直吸附方式下，CO₂分子更倾向于与铁原子形成较强的化学键，而侧向吸附则主要依赖于范德华力。这种差异导致了不同的吸附能值，从而影响了整体的吸附性能。

此外，论文还分析了铁掺杂浓度对吸附性能的影响。随着铁掺杂量的增加，石墨烯表面的活性位点数量也随之增加，从而提高了CO₂分子的吸附能力。然而，过高的掺杂浓度可能导致材料结构的不稳定，甚至影响其导电性。因此，研究指出存在一个最佳的掺杂浓度范围，能够实现吸附性能与材料稳定性的平衡。

在电荷转移方面，研究显示，CO₂分子在吸附过程中会向铁掺杂石墨烯表面转移部分电子，这表明吸附过程是典型的化学吸附。同时，铁原子的d轨道与CO₂分子的轨道之间发生了明显的耦合，进一步证明了吸附的强度和稳定性。

研究还通过态密度分析揭示了铁掺杂石墨烯的电子结构变化。结果显示，铁的掺入改变了石墨烯的费米能级位置，使其更容易与CO₂分子发生电子交换。这种电子结构的变化不仅增强了吸附能力，还可能为后续的催化反应提供有利条件。

综上所述，《二氧化碳分子在铁掺杂石墨烯表面吸附的密度泛函理论研究》通过对CO₂分子在铁掺杂石墨烯表面吸附行为的系统研究，揭示了金属掺杂对气体吸附性能的重要影响。该研究不仅为新型气体吸附材料的设计提供了理论依据，也为环境保护和能源存储领域的应用开辟了新的方向。