材料化学论文范文参考 材料化学毕业论文范文[精选]有关写作资料

目录

1. 第一篇材料化学论文范文参考：矿物材料/化学建材体系微观组构与性能研究
2. 第二篇材料化学论文样文：碳纳米管改性多尺度复合材料化学/电泳法制备及性能研究
3. 第三篇材料化学论文范文模板：化学发光功能化纳米材料合成及其在无标记生物分析中的应用研究
4. 第四篇材料化学论文范例：储能材料的化学制备与性能研究
5. 第五篇材料化学论文范文格式：石墨烯氧化物及二维材料化学修饰的第一性原理研究

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第一篇材料化学论文范文参考：矿物材料/化学建材体系微观组构与性能研究

近年来,我国城乡建设得到迅速发展,从而对建筑材料的需求带来广阔的空间.从20世纪90年代起,各种合成高分子树脂和建筑用化学品在门窗、管道、装饰、建筑防水、隔热保温等领域,越来越多地代替了传统建材,成为继钢材、木材、水泥三大建筑材料之后的第四大建筑材料——化学建材.

化学建材通常是指以合成高分子材料为主的新型建筑材料和建筑用化学品（用以改善材料性能和施工性能的各种建筑化学品）,主要包括建筑塑料、建筑涂料、建筑防水密封材料、绝热保温材料、建筑胶粘剂、混凝土外加剂等几大类产品.一方面,化学建材可以替代钢材、木材、水泥、陶瓷等高耗能传统材料；另一方面,化学建材的生产成本低于传统建材,有着更好的性价比.此外,化学建材在防腐、装饰效果以及使用寿命方面更是具有显著的优越性,因而有利于节约能源、减少资源消耗和保护生态环境.由于高分子材料本身的缺陷（如硬度、耐温、强度等）,通常加入不同的矿物材料以改善性能并降低成本.化学建材实际上是矿物材料与高分子材料构成的复合体系.国内外对化学建材的研究与开发,主要重在产品的使用功能、物理性能、经济指标等方面,而矿物材料的加入,对其组成、结构与性能影响的研究报导甚少,尤其在矿物材料/化学建材体系的微观组构研究方面.

论文以四川省内常用化学建材产品为研究对象,系统研究了各大类化学建材主要品种的性能,利用XRD和SEM等现代分析技术,查明所添加矿物材料成分、微观结构与化学建材产品性能关系.同时根据各类化学建材产品的工艺环节,采取分步取样（或添加不同矿物材料）的方法,进行了矿物材料/化学建材体系微观组构及其性能研究.

论文概述了主要化学建材产品类型、基本性能和特征,讨论了常用矿物材料在化学建材中的分类和作用,分析了国内外矿物材料、矿物材料/化学建材研究现状及存在问题,研究了几种主要矿物材料/化学建材体系微观组构及其性能.

建筑塑料方面：研究了碳酸钙/PVC塑料管材体系和碳酸钙/PVC塑料门窗型材体系的微观组构及其性能.结果表明,性能优异的PVC塑料管材和PVC塑料门窗型材制品,其微观组构显示出矿物材料（碳酸钙）与基质树脂的结合断口形貌呈蜂窝状、丝状、絮状等,两相界面模糊.反之,体系性能低劣.

建筑涂料方面：开展了煅烧高岭土、云母、硫酸钡、滑石粉、硅灰石/建筑涂料不同体系的微观组构与性能研究.结果表明,添加不同的矿物材料,由于矿物材料其自身的结构、化学组成不同,从而对外墙乳胶漆的性能带来影响,尤其是在涂料的对比率和施工性能方面.添加煅烧高岭土、硫酸钡、硅灰石,其体系微观组构显示该矿物材料与基体胶结良好,两相界面模糊,矿物材料颗粒能够被基体树脂很好地包覆,胶体呈丝状结构的特征,表现出体系具有良好的综合性能.对于片状集合体的矿物材料因其矿物自身特点,可赋予乳胶漆特定的性能,如云母在涂膜中呈现平行、定向排列,可赋予涂膜良好的耐老化性和较高的对比率,但在乳胶漆中要获得良好的综合性能,尚需对矿物材料进行特定的表面处理.

建筑防水材料方面：国内外对改性沥青和SBS改性沥青防水卷材的微观研究,多集中在研究聚合物或其它改性材料在沥青中的分散情况,采用的技术手段多为荧光显微镜、TEM等.论文利用SEM技术查明了改性沥青防水卷材性能检测试验中出现沥青涂盖层与胎基分离现象的直接原因——改性沥青未浸渍透胎基,胎基中间透空.膨润土类防水材料是靠矿物材料的晶层间吸附水产生膨胀从而堵住缝隙处水流通道而防水的一种特殊防水材料.论文利用SEM技术,对其吸水膨胀的微观组构进行了研究.论文研究了不同矿物材料在丙烯酸防水涂料中的微观组构及性能.分析了针状形态的硅灰石、片状形态的伊利石、粒状形态的沉淀硫酸钡,分别对丙烯酸防水涂料体系的不同影响：针状矿物材料在丙烯酸防水涂料中表现出明显的增强作用：片状矿物材料在丙烯酸防水涂料中有一定的增强作用：粒状矿物材料在丙烯酸防水涂料中增加产品的柔韧性.针对我国目前厨卫间大量使用的新型建筑防水材料——聚合物水泥防水涂料,研究了矿物材料在聚合物水泥防水涂料体系中的微观组构及性能.矿物材料的加入,使水泥水化产物与基体胶结良好,胶体呈丝状结构,韧性增强,从而使产品的性能得到全面提高.

建筑绝热材料方面：论文针对我国目前建筑绝热方面大量应用的无机轻质矿物材料——玻化微珠,深入研究了玻化微珠和传统绝热材料膨胀珍珠岩的微观组构及性能.膨胀珍珠岩和玻化微珠,其化学组成相同,内部特征均呈蜂巢状结构,但由于利用珍珠岩生产膨胀珍珠岩和玻化微珠的生产工艺不同,玻化微珠的外观更为接近球形颗粒,且表面玻璃质壳体明显增厚、增强,从而导致两种产品的性能差异.胶粉聚苯颗粒外墙保温是国内目前常用的一种建筑节能保温做法.水泥基复合膨胀玻化微珠为外墙保温后起之秀.论文针对这两种同样是以保温砂浆形式出现在建筑保温中的产品,比较了其微观组构及性能：两种保温砂浆的轻骨料都提供了蜂窝状的保温结构,但从轻骨料与水泥砂浆的结合情况看,玻化微珠轻骨料与基体水泥结合良好,从而使保温砂浆产品的综合性能得到提高.

第二篇材料化学论文样文：碳纳米管改性多尺度复合材料化学/电泳法制备及性能研究

碳纳米管由于其优异的力学和电学性能,在材料制备中得到了广泛应用.在复合材料的制备中,碳纳米管经常作为增强体或辅助增强体来提升复合材料的性能.例如,将碳纳米管掺杂或接枝至碳纤维表面再制备成碳纳米管／碳纤维多尺度复合材料,可以有效提升纤维增强复合材料的界面性能和力学载荷,将碳纳米管均匀分散于聚合物中制备成碳纳米管／聚合物多尺度复合材料,可以改善聚合物基复合材料的力学性能和导电性.

碳纤维树脂基复合材料具有低密度、高比模量及高力学强度等一系列物理、化学特性,使其在航空航天等领域得到了广泛应用.将碳纳米管接枝到碳纤维表面,制备出碳纳米管/碳纤维多尺度增强体,从而提升其树脂基复合材料的界面性能.通过增加碳纳米管在碳纤维表面的接枝强度、提高碳纳米管的接枝密度、控制碳纳米管的接枝方向,可以改善增强体与基体间的界面结合强度,增加复合材料的界面剪切力.

有机聚合物材料具有一系列优异的性能,如轻质,生产成本低等.将碳纳米管掺杂在有机聚合物材料中制备成碳纳米管/聚合物多尺度复合材料会进一步加强其力学性能.同时,当碳纳米管浓度达到或超过导电渗流阈值浓度时,碳纳米管/聚合物多尺度复合材料将具备良好的导电性和电磁屏蔽能力.

在上述两种复合材料中,碳纳米管的浓度,碳纳米管之间的连接方式以及制备方法都对复合材料的性能产生很大的影响.本文针对这一影响,针对性地研究上述两种复合材料的化学/电泳法制备及性能变化.

首先,本文对化学法制备碳纳米管/碳纤维多尺度增强体的实验进行优化.采用1,3-丙二胺作为桥联剂,DCC/DMAP为催化体系,通过优化反应条件和试剂用量,制备出具有良好界面性能的碳纳米管/碳纤维多尺度增强体.此增强体具有高的碳纳米管的接枝密度,是过去报道中利用化学法制备的碳纳米管/碳纤维多尺度增强体中碳纳米管接枝密度的3倍.红外光谱和X射线光电子能谱的数据显示碳纳米管和碳纤维之间的连接力为化学酰胺键.化学接枝和高的接枝密度保证了该碳纳米管/碳纤维多尺度增强体界面性能的提升.接枝后,碳纳米管/碳纤维多尺度增强体的表面活性增强,表面润湿性提升.由于这些改进,该碳纳米管/碳纤维多尺度增强树脂基复合材料的界面剪切强度提升了120%.此外,为了便于工业化生产及应用,本文对该方法的反应机理、反应条件及工艺参数进行研究,并得到了不同的反应条件和试剂用量对于碳纳米管接枝密度、增强体表面润湿性和增强体界面剪切强度的影响.这不仅为工业化生产提供了数据支持,也为下一步的研究提供了理论基础.

其次,利用碳纳米管可以在电场力作用下定向移动的特性,一种新颖的制备碳纳米管/碳纤维多尺度增强体的方法被设计出来,即化学电泳法.借助电场力,碳纳米管主动且定向地移动至碳纤维表面,在催化剂作用下与碳纤维表面的氨基发生酰胺缩合反应,成功地实现化学接枝.电场力的引入增加了化学反应的几率,为提升增强体的表面润湿性和界面剪切强度提供了保证.为了增加接枝密度和控制接枝方向,多孔海绵被创造性地应用于实验中.一方面多孔海绵作为收集器可以将碳纳米管控制于内部孔道中,使得海绵内部的碳纳米管浓度增加,提升了接枝的几率.另一方面,多孔海绵的孔道可以对碳纳米管进行筛选,使得只有垂直于碳纤维表面运动的碳纳米管才能穿过多孔海绵的孔道并接枝于碳纤维表面,实现了定向接枝.扫描电镜的图像显示,该多尺度增强体的碳纳米管接枝密度几乎达到化学法接枝密度的2倍.红外光谱和X射线光电子能谱的数据显示碳纳米管和碳纤维之间以化学酰胺键的方式连接,同样实现了强的接枝力.提升的碳纳米管接枝密度,强的化学连接力和直立的接枝方向,使得该多尺度增强体的界面性能得到大幅度提升.通过测试该多尺度增强体的接触角和计算其表面能数据,证实该多尺度增强体表面润湿性得到大幅度改善.通过对该多尺度增强体的树脂基复合材料进行微脱粘试验后的图像和数据进行分析,证实其界面剪切强度提升了186%,远远高于以往报道.该研究创造性地将电泳法和化学法结合,取长补短,首次得到了同时提升和改善碳纳米管接枝密度、接枝力和接枝方向的多尺度增强体,使其界面性能得到大幅度提升.此外,相比于现在的工业生产方法,该制备方法过程简练、成本低廉,更易于应用于实际生产和应用中.

最后,对上述化学电泳法实验后的海绵进行了分析和研究.在电泳后,大部分的碳纳米管在运动过程中受到海绵壁的阻挡而粘附于海绵的内壁上,得到了碳纳米管/聚合物复合材料(碳纳米管海绵).通过扫描电镜的图片可知,碳纳米管均匀地涂覆于海绵的内壁表面,并未发生团聚.力学测试结果表明,该碳纳米管海绵具有良好的弹性、延展性、弯曲性,在重复受力后能够快速恢复至原始形貌.由于碳纳米管在海绵内壁表明均匀致密排列,使得碳纳米管间的电子传输能力较强,因此该碳纳米管海绵具有良好的导电性能、电容性能.此外,该碳纳米管海绵还具有良好的吸附性能和电磁屏蔽性能.利用电泳法制备的碳纳米管海绵成本低廉、性能优异、方法简便,制备出的产品不受形状和大小的限制,可以很好地应用于工业化生产中.此外,由于其具有的一系列物理化学特性,该产品可以制备成超级电容器、吸附材料、储氢材料、吸波材料等,并广泛应用于航空、航天、医疗、污水处理、可穿戴设备、精密仪器、化学催化中.

第三篇材料化学论文范文模板：化学发光功能化纳米材料合成及其在无标记生物分析中的应用研究

论文首先综述了化学发光、化学发光功能化纳米材料以及无标记化学发光生物分析技术的研究现状和最新进展.近年来,在纳米材料表面富集大量化学发光信号分子,合成发光功能化纳米材料受到人们的广泛关注,其在临床生化分析、食品药品检测、环境监测等领域具有重要应用前景.但是,目前发光功能化纳米材料主要被作为分析探针,构建基于标记技术的生物分析方法.最近,无标记分析方法无需复杂繁琐的标记过程,操作过程简单,能够实现目标分析物的灵敏、快速、低成本的检测,成为生物分析领域一个新的发展趋势.本论文针对化学发光试剂功能化纳米材料以及新型化学发光试剂/催化剂双功能化纳米材料的合成及其在无标记化学发光生物分析中的应用这一研究主题,开展了一系列研究工作.成功利用鲁米诺功能化金纳米和联吡啶钌功能化氧化石墨烯作为无标记传感平台,构建了三个无标记电致化学发光生物分析界面,分别实现了凝血酶、急性心肌梗死标志物心肌肌钙蛋白Ⅰ和结核分枝杆菌特异DNA序列的快速测定.此外,目前所制备的发光功能化纳米材料发光效率有限,为了实现生物体系中超低含量分析物的检测,拟进一步提高发光功能化纳米材料的发光效率.本论文成功合成了N-(4-氨丁基)-N-乙基异鲁米诺(ABEI)/过渡金属离子催化剂双功能化的金纳米材料和ABEI功能化金纳米点/Cu2+双功能化的碳纳米管,对其形貌和表面成分进行表征,研究了其化学发光特性,并基于所合成的双功能化纳米材料,成功发展了两种无标记化学发光生物分析方法,并分别将其应用于焦磷酸根离子和焦磷酸酶的简单、快速检测.主要研究内容如下：

1.将鲁米诺功能化金纳米与核酸分子进行可控组装,构建无标记纳米分析界面,基于分析界面上识别分子捕获目标物后引起界面电致化学发光信号的变化作为检测信号,发展了一个无标记电致化学发光适配体传感器用于检测凝血酶.首先,利用Au-S键作用,将修饰了一段DNA链的普通纳米金组装到金电极表面；然后,利用DNA链的杂交反应,将修饰了互补DNA链和凝血酶适配体的鲁米诺功能化金纳米进一步组装到修饰电极表面.该层功能化金纳米可进行分子识别,并产生电致化学发光信号,从而构建了一个无标记纳米传感界面.当凝血酶存在时,适配体捕获凝血酶,导致修饰电极表面产生较大的电子转移阻力,影响界面上鲁米诺分子的电致化学发光反应,造成电致化学发光信号的降低.基于该电致化学发光信号的降低值,可实现对凝血酶的定量测定.对该传感器的分析性能研究表明,该传感器具有5.0pmol/L至50,nmolL宽的检测范围和低的检测限1.7pmol/L.将该电致化学发光适配体传感器用于其它蛋白,几乎没有响应,表明该分析方法具有良好的选择性.由于在测试过程中,样品基体可以被分离洗涤去除,因此该传感器具有良好的选择性,可用于人血清样品凝血酶的测定.该传感器还具有普适性,选择相应的蛋白目标物的适配体作为新的组装基元,所构建的适配体传感器还可应用于其它蛋白目标分析物的检测.

2.基于鲁米诺功能化金纳米作为抗体载体和纳米传感平台,基于抗原-抗体免疫反应所引起的纳米传感界面上电致化学发光信号的变化值,成功构建了一个适用于急性心肌梗死疾病标志物心肌肌钙蛋白(cTnI)检测的无标记电致化学发光免疫传感器.首先,利用Au-S键作用,将修饰了链酶亲和素的普通纳米金组装到金电极表面；然后,利用生物素-链酶亲和素相互作用,将修饰有cTnI抗体的鲁米诺功能化的金纳米进一步组装到修饰电极表面,从而构建了一个能产生稳定的较强的电致化学发光信号的无标记免疫传感界面.当存在cTnI,传感界面的cTnI抗体捕获cTnI,造成界面电致化学发光信号的降低.基于传感界面ECL信号的变化,可实现对cTnI的直接测定.对该传感器的分析性能研究表明,该传感器可以实现cTnI从0.1到1000ng/mL宽的检测范围内的测定.同时该传感器具有较低的检测限,达到0.06ng/mL.此外,该传感器还可用于实际人血样中cTnI的检测.该方案具有简单、快速、灵敏、特异、稳定等优点.此外,该方案还可扩展用于其它疾病标志物的检测,在临床和药物诊断中具有重要应用前景.3.利用具有电致化学发光活性的Ru-GO发光功能化纳米材料作为悬浮传感界面,基于氧化石墨烯对单链DNA和双链DNA的良好识别能力,利用二茂铁修饰的单链DNA (Fc-ssDNA)作为ECL信号控制单元,成功构建了一个均相电致化学发光DNA传感器,并将其用于多重耐药性结核病特异基因序列rpoB基因的检测.Ru-GO的电致化学发光信号将被吸附于其表面的Fc-ssDNA有效淬灭.耐药性结核病特异性基因序列与Fc-ssDNA发生杂交反应,从而将Fc-ssDNA从Ru-GO表面脱离,Ru-GO的电致化学发光信号得到恢复.基于Ru-GO的电致化学发光信号的变化值,可实现对特异DNA序列的识别和定量.该传感器具有较宽的检测范围,可以实现rpoB基因从0.1nmol/L到100nmol/L的测定,检测限达到0.04nmol/L.通过合理的设计DNA序列,该传感器也可用于其它疾病相关的特异DNA序列以及基因突变的检测,具有很好的应用前景.4.发展了一种新型、简单、便捷的发光试剂/金属离子催化剂双功能化金纳米材料的合成方法.利用ABEI作为模型化学发光试剂,Cu2+作为一种模型金属离子催化剂,利用生物巯基化合物,包括半胱氨酸(Cysteine, Cys),半胱氨酸-甘氨酸(Cysteinyl-glycine, Cys-Gly),同型半胱氨酸(Homocysteine, Hcy)和谷胱甘肽(Glutathione, GSH)作为新型螫合配体,成功合成了一系列双功能化金纳米材料.在该方案中,首先合成ABEI功能化金纳米,然后通过Au-S键作用将生物巯基化合物组装到ABEI功能化金纳米表面,形成一层高密度螯合配体层.然后,金属离子催化剂,如Cu2+,将被ABE1功能化金纳米表面的螯合配体捕获,从而合成ABEI/Cu2+螯合物双功能化金纳米.研究结果表明,使用Cys作为螯合配体所合成的双功能化金纳米的化学发光强度远大于使用Cys-Gly、Hcy和GSH作为螯合配体所合成的双功能化金纳米的化学发光强度.利用所发展的方法合成的双功能化金纳米Cu2+-Cys/ABEI-AuNPs的化学发光强度比利用前期报道的方法合成的双功能化金纳米DTDTPA/Cu2+-ABEI-AuNPs的化学发光强度提高近1个数量级.此外,该方法所合成的双功能化金纳米在中性pH条件下也能产生化学发光光发射.最后,利用所合成的双功能化金纳米Cu2+-Cys/ABEI-AuNPs作为传感平台,基于焦磷酸根离子与Cys之间对Cu2+的竞争螯合反应,我们成功构建了一个简单、灵敏、高选择性的用于焦磷酸根离子检测的无标记化学发光传感器.该传感器具有较宽的检测范围,可实现焦磷酸根离子从10到100nmol/L范围内的检测,检测限低至3.6nmol/L.我们还成功将该传感器应用于实际人血浆样品中焦磷酸根离子的测定.

5.发展了一种简单、有效的发光试剂/Cu2+催化剂双功能化碳纳米管的合成方法,并基于该双功能化碳纳米管的动态合成,开发了一个应用于焦磷酸酶活性检测的化学发光分析方法.首先,利用前期报道的方法,在表面修饰壳聚糖的碳纳米管溶液中,利用ABEI原位还原氯金酸,合成高密度ABEI-金纳米点修饰的壳聚糖碳纳米管(ABEI-Au-cs-CNTs).然后,基于壳聚糖以及碳纳米管对Cu2+的优良配位和吸附能力,将金属离子催化剂Cu2+进一步组装到ABEI-Au-cs-CNTs表面,从而合成新型具有高效化学发光活性的双功能化碳纳米管ABEI-Au/Cu2+-cs-CNTs.ABEI-Au/Cu2+-cs-CNTs的化学发光强度比前期合成的ABEI-Au-cs-CNTs的化学发光强度高近2个数量级,ABEI-Au/Cu2+-cs-CNTs的电致化学发光强度则比ABEI-Au-cs-CNTs的电致化学发光强度高2倍.焦磷酸根离子可以与Cu2+形成稳定的螯合物,从而阻碍ABEI-Au/Cu2+-cs-CNTs的成功合成.当加入焦磷酸酶后,焦磷酸根离子将被催化水解为磷酸根,释放Cu2+.所释放的Cu2+可被高效、快速、有选择性的结合,组装得到化学发光强度大大增强的ABEI-Au/Cu2+-cs-CNTs.体系化学发光的增强值与所加入的焦磷酸酶的活性单位相关,因此可以实现焦磷酸酶从0.025U到0.5U活性单位的检测,检测限为9mU.该分析方法还被成功应用于PPase活性抑制剂的监控和浓度检测.

第四篇材料化学论文范例：储能材料的化学制备与性能研究

具有特定组成和结构的材料在生物、能源、电子等领域具有广泛的应用,因此对材料进行选择性制备、控制其组成和结构、并研究其形成机制一直是材料化学领域的重要课题之一.本论文以过渡金属化合物和石墨烯等具有电化学储能特性的材料为研究对象,在其合成新方法的设计、形成机制以及在锂离子电池及超级电容器中的应用等方面进行了系统的研究.论文的主要内容包括以下几个方面：

1.以化学液相合成中产生的中间产物为模板引导纳米构筑单元自组装,制备了过渡金属化合物的有序多级结构材料.通过溶剂热法制备硫化铜多级结构时,溶剂还原Cu2+得到的CuCl晶体对最终产物CuS纳米片的自组装起到引导作用,从而实现了“自上而下”与“自下而上”方式的共同作用,使得到的硫化铜在从纳米到毫米的多个尺度具有不同层次的结构特征；在水热法制备具有多面体轮廓的二氧化钛中空核壳结构时,熟化过程中形成的无定形Ti02“胶体分子”起到了引导定向熟化结晶的作用,并且在溶液中F-的作用下,颗粒内部与外部产生不同的晶体生长方式,从而形成具有规则轮廓的核壳结构.有序多级结构CuS作为转化型锂离子电池负极材料时,其首次放电及可逆比容量可分别达到533和445mAhg-1,优于已报道的480与350mAhg-1.

2.针对传统石墨烯纸中石墨烯片层的紧密堆积而影响锂离子及电解液扩散的问题,制备了具有折叠片层结构的石墨烯纸.制备过程中采用了把石墨烯气溶胶机械压制的方法.这种新颖的宏观石墨烯材料在微观上同时具备石墨烯与碳纳米管的结构特征,有利于锂离子和电解液的扩散,将这种石墨烯纸独立作为锂离子电池负极使用时,可逆比容量可达到864mAhg-1.,在作为超级电容器电极材料使用时,比电容可达到172Fg-1.,相对抽滤法制备的石墨烯纸性能(可逆比容量与比电容分别为84mAhg-1,及111Fg-1)得到了较大的提高.

3.将循环伏安电化学氧化的方法用于石墨烯的化学改性,实现了石墨烯的定量氧化.石墨烯电化学氧化反应的热力学和动力学可以通过调节循环的电位范围和循环次数进行精确控制.并且氧化过程中引入的含氧基团(包括羟基、羰基和羧基)的量以及石墨烯电导率的变化可以通过循环伏安曲线的形状变化进行实时观测.通过电化学氧化引入的含氧基团能赋予石墨烯赝电容特性,在不影响电导率的情况下,改性后的石墨烯在1Ag-1’的电流密度下比电容可达到279Fg-,相对改性前有49.1%的提高,并可保持良好的倍率性能以及循环稳定性,100Ag-1的电流密度下比电容仍可达到168Fg-1,经过5000次的循环,比电容的保持率在98%以上.

第五篇材料化学论文范文格式：石墨烯氧化物及二维材料化学修饰的第一性原理研究

近年来由于计算能力和相关理论的迅速发展,基于密度泛函理论的第一性原理计算在材料科学的研究中得到了广泛的应用,已经成为材料表征与设计的有力工具之一.实验上,有很多有效方法被用来合成材料和对材料进行表征.理论计算研究既可以用来解释已有的实验现象,帮助我们更好的理解实验,也可以设计新材料或者预测材料的新性质,为实验研究提供方向和指导.低维纳米材料常常有独特的力、电、光、磁和催化性能,是现在材料研究中的一个重要的方向.本文主要对低维材料石墨烯氧化物以及功能化的石墨烯进行第一性原理研究.

在第一章中,我们简单介绍了密度泛函理论、核磁共振模拟以及自由能计算的一些背景知识.第一部分包括密度泛函理论的基本定理、交换相关泛函、基组、赝势和计算中用到的软件包等.核磁共振模拟部分重点介绍了适用与周期性体系的GIPAW方法.最后我们简单介绍第一性原理计算自由能.

由于其独特的物理化学性质以及广阔的应用前景,石墨烯是当今材料科学的一个热点.石墨烯研究中急需解决的一个重要问题是大规模高质量的样品制备.化学氧化还原法是实现这一目标的一种可能方法.而石墨烯氧化物是其中的一种关键中间产物.同时,石墨烯氧化物本身也有许多潜在应用,因此是一类重要的材料.在第二章中,我们综述了石墨烯以及石墨烯氧化物的相关背景和一些研究进展.

石墨烯氧化物的微观原子结构至今仍不是十分清楚.核磁共振谱是一种实验上广泛应用于石墨烯氧化物结构研究的方法.在第三章中,根据第一性原理13C化学位移计算,使用GIPAW方法,我们得到了频谱与结构的对应关系.我们的研究表明,即使是同一类型的氧化基团,其13C化学位移对周围的原子环境非常敏感.对环氧基和羟基的化学位移的影响因素我们也进行了讨论.利用核磁共振谱模拟我们检查了以前文献报道的结构.羟基链结构虽然在能量上有利,但预计将不会广泛存在于真正的GO中.根据我们的核磁共振模拟,我们也对先前研究中提出的环氧对结构进行了化学位移计算.

我们的核磁共振模拟发现能量上稳定的羟基链结构与实验结果矛盾.而且,通过振动频率计算与红外光谱实验的对比,我们进一步证实了这一结论.为了解决这些争议,我们从热力学和动力学两方面对石墨烯氧化物结构的进行了考察.第一性原理的热力学计算给出了一个与能量排序类似的基于自由能的稳定性排序,羟基链确实在热力学上是非常有利的.因此,预计动力学在石墨烯氧化物合成中对其结构起重要作用.过渡态计算发现石墨烯氧化物中不同的局域极小之间有很大的势垒,这表明实验中取得的石墨烯氧化物样品应该是动力学约束的亚稳态结构.

除了对复杂纳米结构进行计算表征,我们还开展了理论设计方面的工作.同样针对二维材料,为了拓展其在电子器件方面的应用,通过平面化学修饰对其电子结构进行调制是一种重要手段.在第五章中,基于密度泛函理论,我们研究了氟取代的平面聚硅烷和石墨烷的电子结构.我们发现,碳和硅表现出非常不同的表面化学.氟修饰的平面聚硅烷由间接带隙变为直接带隙,其带隙宽度主要由氟覆盖率决定,而不论其在表面上如何分布.但是,氟掺杂的石墨烷由于反键态和近自由电子态之间的竞争,其电子结构对掺杂构型非常敏感.对于一些特定的氟的分布,可以得到零维和一维的近自由电子态.因此,对于实际应用中通过表面化学修饰调制电子结构,二维硅基和碳基材料相比更具优势.

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