衬底调控石墨烯与类石墨烯二维单层材料表面化学活性的理论研究

Graphene and graphene-like two-dimensional materials are important low-dimensional materials with wide potential applications. The manipulation of their surface reactivity with substrate is essential. In this project, by using first-principles calculations, first-principles molecular dynamic simulation, and non-equilibrium Green’s function method, we propose to theoretically study the mechanism of substrate manipulation of surface reactivity of two-dimensional materials. The surface polarity of substrates and the number of two-dimensional layers effects are considered. Moreover, the chemical reaction process on the substrate supported two-dimensional materials their impact on the electronic transport behavior in two-dimensional materials based electronics are studied. These studies will provide useful theoretical guidance for experimental investigations.

石墨烯与类石墨烯二维单原子层材料是一类具有广泛应用前景的低维纳米材料，通过衬底调控其表面化学反应活性是石墨烯与类石墨烯材料应用研究的一个基础。本项目主要基于第一性原理计算方法、第一性原理分子动力学方法和非平衡态格林函数方法，理论研究金属与非金属衬底支撑的石墨烯与类石墨二维单层材料表面的化学反应活性（吸附与催化）的调控、探讨衬底表面极性、二维单层材料层数等因素对其表面反应活性的影响的机理、寻找与设计具有特定功能的二维材料功能材料与器件。理论研究在衬底作用下，石墨烯与类石墨烯材料表面化学反应过程，以及其对石墨烯与类石墨烯电子器件电子输运行为的影响。为实验制备低维纳米催化材料与电子器件提供理论依据与指导。

本项目按计划进行，主要研究衬底对石墨烯及类石墨烯表面化学反应活性调控，通过考虑不同的衬底与二维材料之间的相互作用，寻找衬底调控二维单原子层材料表面化学反应活性的规律与机理，设计新型复合催化材料和新型电子器件材料，为实验提供理论依据。在项目的资助下，我们在拟开展研究的几个方面取得了一些重要的进展，主要包括：（1）应用第一性原理研究了不同衬底（金属、阴离子化合物、与多组分材料）负载的石墨烯、掺杂石墨烯、与类石墨烯二维材料表面的化学反应，揭示了衬底功函数、电荷效应、以及多组分协同效应对二维材料表面化学反应活性的增强，为实验设计高效的复合催化剂提供了有意义的理论指导；（2）研究了衬底对表面分子组装行为的调控，揭示了不同金属表面有机分子组装的不同反应路径，为实验控制表面二维材料制备提供了理论依据；（3）探索了石墨烯与类石墨烯材料与金属单原子、团簇之间的相互作用，揭示了石墨烯与类石墨烯二维材料对金属单原子和团簇催化活性的调控，为设计二维材料负载的复合催化剂提供了理论依据；（4）探索了碳基二维光解水催化材料，为实现可见光下的全光解水提供了新方案。研究成果以学术论文的形式发表在国内外学术期刊上，在J. Am. Chem. Soc., Nat. Comm.，Adv. Mater.等期刊发表本项目相关学术论文23篇。