边缘氢化石墨烯片层结构和光谱性质的密度泛函理论研究-论文.pdf

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1、第31卷第9期计算机与应用化学Vo1．31，No．92014年9月28日ComputersandAppliedChemistrySeptember28，2014边缘氢化石墨烯片层结构和光谱性质的密度泛函理论研究冯艳萍，田磊，董玉慧(潍坊科技学院化工学院，山东，潍坊，262700)摘要：以并3-6苯环为氢化石墨烯片层模型，采用量子化学密度泛函理论方法(DFT)在B3LYP／6-31Gp)水平上进行了几何结构全优化，讨论了分子结构、能量、前线分子轨道等性质的变化规律在得到化合物基态稳定构型的基础上，运用含时密度泛函理论(TD．DFT)计算了电子吸收光谱的性质。计算结果

2、显示边缘氢化石墨烯片层均为平面结构，线型扶手椅型结构能量最低，结构最稳定。随着石墨烯片层环数的增加HOMO轨道能量增加，LUMO轨道能量降低，能隙能量降低，最大吸收波长明显红移。关键词：石墨烯片层；含时密度泛函理论：几何结构；前线轨道；电子光谱中图分类号：TQ015．9；TP391．9；06．39文献标识码：A文章编号：1001-4160(2014)09—1057—1060DoI：10．11719／com．app．chem201409081引言烯片层类有机电致发光材料提供理论依据。石墨烯是由单层六角元胞碳原子构成的蜂窝状二维环数线型三角型四边型晶体，是构造其它维度

3、碳质材料的基本单元。层状结构晶体中层内原子以比较强的共价键结合，层与层之间较3—1弱的范德华键结合。2004年，Novose等人成功利用胶带剥离定向的方法制备出了石墨烯(Grahene)J，这是由单3∞／，==＼3·3层碳原子紧密耦合成的二维蜂窝状晶格结构的一种碳质3—2新材料[3】。理想的二维石墨烯晶格呈蜂窝状【4平面上每个∞碳原子以印杂化轨道相链接，即每个碳原子与最近邻的4．13个原子之间形成3个。键，剩余的一个P原子轨道垂4＼==：／4．34—4直于石墨烯平面，与周围的原子形成兀键，碳原子之间相、、4—2互围成蜂窝状的平面结构，使其具有超高的强度、刚度和韧性

4、以及独特的变形机制。在石墨烯结构中，苯环并踊耦合是构成石墨烯的基础，苯环是其基本单元。因此对5苯环并耦合性质的研究是目前的研究基础，对石墨烯特性的深入探索及其应用具有重要意义。本文采用量子化学密度泛函理论的B3LYP方法计算了由并3-6个苯环形成的各种石墨烯片层体系的基态结构。以基态优化得到的稳定构型为基础进行了含时密度泛函理论(TD．DFT)的电子吸收光谱性质计算(各种石墨6．4烯片层模型结构见图1，黑点表示这个原子上有成单电厂=、厂=＼6子)。从理论上预测了不同尺寸的边缘氢化石墨烯片层各＼==／＼==／＼==／6．3构型对分子几何结构、能量、电子吸收光谱和前线

5、分子轨道能量等性质的影响规律，进一步讨论了此类分子中6．5第一激发态电子跃迁的本质，分析了该类化合物的结构Fig．1Thestructuresofedgehydrogenatedgraphenesheetsincluding3-6tings．与光谱性质之间的关系，以期为合成新型边缘氢化石墨图1含3-6环的边缘氢化石墨烯片层的结构示意图收稿日期：2014—06—16；修回日期：2014．09-09基金项目：国家自然科学基金资助项1~1(21103147)作者简介：冯艳萍(1973一)，女，潍坊人，硕士，E—mai1：747193501@qq．corn联系人：董玉慧(

6、1982一)，女，德州人，硕士，讲师，E-mail：dongyuhui123456@163．com1058计算机与应用化学2计算模型和方法3．2能量分析对于相同分子式的结构来说，能量的高低可以反映运用Guassian03量子化学程序包中的密度泛函理论结构之间的相对稳定性。表1列出了在B3LYP／6．31G((DFT)J，在B3LYP／6．31G(d,p)水平上，对边缘氢化石p)水平上计算所得3-6环各平衡构型的能量。墨烯片层(3．6环)各构型(图1)，进行全自由度几何优化，频率计算结果均无虚频，表明选用的目标化合物表l在B3LYP／6—31G(~p)水平上优化所得

7、各构型的能量Table1Theenergiesofallstructuresoptimizedby的优化结果确实为其稳定构型。以基态的优化构型为基B3LYP／6—31G(p)method．——础，应用含时密度泛函理论(TD．DFT)[，在相同计算水平上(B3LYP／6-31G(p))，计算化合物的电子吸收光谱。3计算结果与讨论3．1几何构型石墨烯纳米带[】伽作为基本结构经常被大家引用。从结构上分析，常被采用的石墨烯纳米带可以分为锯齿型(Zigzag)(晶格结构的上下边缘)和扶手椅型(Armchaf)(晶格结构的垂直边缘)，其中扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)I~1

8、性质视其宽