石墨烯-CO2相互作用能的DFT-MD模拟与实验验证：电场增强吸附的结构动力学研究

本研究通过密度泛函理论(DFT)和分子动力学(MD)模拟结合实验验证，揭示了电场调控下石墨烯-CO2体系的吸附能量变化规律。研究发现铁掺杂石墨烯(Fe-DG)在1.2V电场下吸附容量达0.89g/g，较铜掺杂(Cu-DG)和原始石墨烯(PG)分别提高28%和53%，为设计高效碳捕集材料提供了理论依据和实验支撑。

　　

随着全球碳中和目标的推进，碳捕集技术成为解决温室气体排放的关键突破口。石墨烯因其独特的二维结构和可调控的电子特性，被视为极具潜力的CO₂吸附材料。然而，现有研究对石墨烯-CO₂相互作用的微观机制认识不足，特别是电场调控下的结构动力学变化缺乏系统性研究。传统实验方法难以精确表征分子层面的能量变化，而单纯的理论模拟又往往忽略实际材料制备中的表面覆盖不均等问题。

针对这一科学难题，印度理工学院蒂鲁吉拉伯利分校（NIT Trichy）的研究团队创新性地采用理论模拟与实验验证相结合的策略。研究通过密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）和分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟，首次系统揭示了电场对石墨烯-CO₂相互作用能的调控规律，并成功制备出铁/铜掺杂的生物炭基石墨烯材料进行实验验证。相关成果发表在材料科学领域期刊《Next Materials》上，为智能碳捕集材料的开发提供了重要指导。

研究团队主要运用了三大关键技术：1）基于Quantum ESPRESSO软件的DFT-MD多尺度模拟，计算电子态密度(DOS)和能带结构(EBS)；2）过渡金属（铁/铜）掺杂生物炭的绿色制备工艺；3）原位电磁场调控的固定床吸附实验系统。特别值得注意的是，研究建立了考虑实际表面覆盖率(50-80%)的修正模型，显著提高了模拟与实验的相关性。

【4.1 石墨烯态密度构建】
通过自洽场(SCF)和非自洽场(NSCF)计算发现，铁掺杂石墨烯在费米能级附近的电子态密度比铜掺杂高42%，这解释了其更强的CO₂吸附能力。电场作用下，Fe-DG的DOS增幅达210%，显著高于Cu-DG的158%。

【4.2 电子能带结构分析】
能带计算显示，CO₂吸附使原始石墨烯费米能级从0eV偏移至-1.8eV。引人注目的是，1.2V/?电场使Fe-DG出现2.7eV的带隙展宽，为电荷转移提供了更多活性位点。

【4.4 吸附能量定量】
在298K条件下，Fe-DG的CO₂吸附能达到5.2eV，是Cu-DG(3.58eV)的1.45倍。温度升高至373K时，吸附能下降28%，证实了吸附过程的放热特性。

【4.9 实验验证】
突破性实验数据显示，1.2V电场使Fe-DG的CO₂吸附容量从0.68g/g提升至0.89g/g(增幅31%)，与模拟预测的90%吸附率趋势一致。XPS分析证实铁掺杂样品碳含量达92.81%，优于铜掺杂的87.88%。

【5 工业转化潜力】
研究特别探讨了规模化应用的挑战，指出通过喷涂或卷对卷工艺可改善石墨烯涂层均匀性。计算表明，每吨CO₂捕集能耗可降低至1.8MWh，具备工业化前景。

这项研究首次建立了电场-掺杂协同增强的石墨烯CO₂吸附理论框架，其创新性主要体现在三个方面：1）揭示了铁d电子轨道在增强吸附中的关键作用；2）开发了生物质衍生石墨烯的绿色制备路线；3）验证了低电压(1.2V)调控吸附的选择性。该成果不仅为碳捕集材料设计提供了新思路，其建立的DFT-MD-实验三联方法学也可推广至其他气体分离体系的研究。正如作者在讨论中指出，下一步需重点解决大面积均匀成膜和电场系统集成问题，以推动该技术走向实际应用。