On the mechanism of gas adsorption for pristine, defective and functionalized graphene

Abstract

Defect is no longer deemed an adverse aspect of graphene. Contrarily, it can pave ways of extending applicability of graphene. Here, we discuss the effects of three types of defects on graphene: carbon deficiency, adatom (single Fe) dopant and introduction of functional groups (carboxyl, pyran group) on NO 2 gas adsorption via density functional theory method. We have observed that the unsaturated carbon in defected graphene is highly active to attract NO 2 molecules. Our study suggests that introducing Fe on graphene can enhance the NO 2 adsorption process. Adsorption energy calculations suggest the enhancement in NO 2 adsorption is more profound for Fe-doped mono and tetra vacant graphene than Fe doped bi-and tri-vacant graphene. This study could potentially be useful in developing adsorption-based applications of graphene.Graphene is regarded as a promising material for many practical applications [1][2][3][4][5][6][7] . When used for gas sensing applications, the extremely high active surface area and fast carrier mobility endow graphene the ability to detect a single molecule of target gas [8][9][10][11][12] . Selectivity is an extremely important factor to decide applicability of a particular material for sensors [13][14][15] . Gas sensing materials can be made selectively for target gas by tuning its characteristics via doping or defect creation [16][17][18][19][20] . For development of a material as gas sensors, fundamental understanding of mechanisms responsible for gas adsorption is necessary. In this work, we have selected NO 2 as target gas to develop mechanism of gas adsorption on graphene surface. A comprehensive and deep understanding of NO 2 gas adsorption on defected and functionalized graphene can be useful in development of practical graphene-based gas sensors. Previous reports suggest that NO 2 gas adsorption can be enhanced through modifying graphene structure via creation of vacancies 21,22 , doping impurities [22][23][24][25][26] and attaching chemical functional groups [27][28][29][30] . Using density functional theory (DFT), Lee et al elucidated that the monovacant graphene have strong NO 2 gas adsorption 21 and Zhou et al proposed that doping of transitional metal atoms (Cu, Ag and Au) can improve the sensing performance of graphene 23 . In an experimental study, Zhang et al demonstrated enhanced sensing performance after introducing single carbon vacancy defect into graphene 22 . Herein, we report an overall view on the effects of vacancies, adatom (Fe atom) and oxygenated groups on NO 2 gas adsorption behaviour of graphene surface using DFT.The spin-polarized density functional theory calculations are carried out using SIESTA code based on numerical atomic orbitals basis set. The Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) generalized gradient

Interband transitions in closed-shell vacancy containing graphene quantum dots complexed with heavy metals

“…In this regard, introducing defects (mono-vacancies and vacancy complexes) into graphene-family materials can be an effective tool to enhance the adsorption ability of heavy metals, thereby avoiding surface functionalization/immobilization steps. Recently, it has been demonstrated that the defect-engineering approach in the case of graphene can promote the increase of the binding energy of alkaline-earth metals and hydrogen, 60 gas molecules and water, 61,62 Li, 63 Pt, 64 Cd, 65 Co 66 and 3d transition metals (from Sc to Zn). 67 Nevertheless, there is still a limited amount of data in the literature on the role of vacancy-related defects in the complexation between elemental toxic heavy metals and graphene-like structures.…”

Влияние Механического Растяжения На Адсорбционные Свойства Легированного Азотом Графена

“…Настоящая работа посвящена исследованию адсорбции радикалов H, O, OH, COOH на растянутый N-легированный графен. Перечисленные радикалы являются распространенными адсорбатами: H интересен с точки зрения запасания водорода [27]; O и OH играют важную роль при приготовлении, очистке и функционализации графена [28][29][30][31]; OH и COOH обеспечивают его биосовместимость [32][33][34], COOH улучшает его адсорбционные свойства [35,36]. Механическое растяжение существенно меняет не только электронные [37], оптические [38] и термические [39,40] свойства графена, но и его химическую активность [41].…”

Оценки Констант Электрон-Фононной Связи Молекул Газа С Графеном

“…[2][3][4] и ссылки, приведенные там). Выяснилось, что адсорбция сопровождается сравнительно малым пере-ходом заряда между адсорбентом и адсорбатом.…”

“…Выяснилось, что адсорбция сопровождается сравнительно малым пере-ходом заряда между адсорбентом и адсорбатом. При этом, например, NO 2 и Н 2 О действуют как акцепторы, тогда как NH 3 , CO и NO являются донорами. Переход заряда имеет место как для собственного (идеального) графена, когда связь адмолекула−графен является слабой (близкой к ван-дер-ваальсовой), так и для графена, допированного и/или содержащего структурные дефекты.…”

“…В настоящей работе, следуя [5], мы рассмотрим влияние электрон-фононной связи (ЭФС) адчастицы с графеном на концентрацию носите-лей в графене, что и является доминирующим фактором изменения его проводимости [1][2][3][4]. Исходя из упрощенных моделей мы продемонст-рируем, как, опираясь на численные расчеты других авторов, можно оценить константы ЭФС.…”