硼/氟掺杂石墨烯单层水分解反应机理的第一性原理研究：DFT视角

《Applied Ocean Research》：Insights into the water splitting reaction mechanism on boron- and fluorine-doped graphene monolayers: an ab initio density functional theory perspective

本综述采用第一性原理密度泛函理论（DFT）方法，深入探讨了硼掺杂（BG）和氟掺杂（FG）石墨烯单层作为高效、环境友好型催化剂在水分解反应中的应用。研究表明，BG和FG在费米能级附近具有显著的态密度峰，且BG对水分子具有更强的吸附能力（最低吸附能为-0.077 eV）和更低的反应能垒（6.72 eV vs FG的7.99 eV），通过CI-NEB方法确定了其最小能量路径（MEP），为开发非贵金属催化剂提供了理论依据。

　　

Section snippets

Computational details

本研究采用维也纳从头算模拟包（VASP）中实现的密度泛函理论（DFT）来探究水电解的反应机理。我们使用广义梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函来计算非局域交换关联能。通过投影缀加波（PAW）方法求解Kohn-Sham方程，所有计算均采用高斯展宽方法（σ = 0.05）。

Structure analysis

原始石墨烯、硼掺杂（BG）和氟掺杂（FG）石墨烯的弛豫结构如图1所示。相关体系的键长、键角、能量和体积数据列于表1。原始石墨烯的C-C键长和键角分别为1.42 ?和120度，这与先前的研究结果一致。在引入B和F原子掺杂后，掺杂原子附近出现了一些结构畸变，这可以从图1和表1中推断出来。

Conclusions

本研究通过DFT计算系统探讨了H₂O在BG和FG单层上的分解过程。首先计算了原始石墨烯、BG和FG的能带结构和态密度（DOS）。结果显示，B掺杂石墨烯的费米能级向价带方向移动，增强了其导电性，使其更适用于水分解反应。通过电荷密度差分计算识别了电荷密度修饰和潜在反应位点。