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摘 要

石墨烯作为新一代碳基材料，具有多种优良理化性质，改性石墨获得氧化石墨烯后的材料不但具有石墨烯的性质，同时拥有含氧基团的特性，使得GO具备更加优异的反应、吸附活性。本文从量子化学密度泛函的角度出发，采用了DFT的第一性原理方法，利用ADF量子计算软件进行建模，分析氧化石墨烯氧化SO₂的过程，DFT计算结果表明，氧化石墨烯上的环氧基能够在真空条件下氧化SO₂，溶剂化效应可以通过降低反应势垒促进氧化的过程，使得SO₂直接转化为SO₃，这将是氧化石墨烯氧化SO₂的处理途径之一，这对于未来烟气脱硫带来新的发展方向。

关键词：量子化学 氧化石墨烯 二氧化硫 密度泛函

Study on density functional theory of SO₂ by oxidized graphene oxide

ABSTRACT

Graphene as a new generation of carbon-based materials, with a variety of good physical and chemical properties, modified graphite to obtain oxidized graphite material not only has the properties of graphene, but also has the characteristics of oxygen groups, make go have more excellent reaction, adsorption activity. In this paper, based on the quantum chemical density functional, the first principle method of DFT is used to model the oxidation SO₂ of oxidized graphite by using the ADF quantum computing software. The DFT results show that the epoxy matrix on oxidized graphene can oxidize SO₂ under vacuum condition, and the solvent effect can promote the oxidation process by reducing the reaction potential barrier, which makes the SO₂ directly into SO₃, which will be one of the treatment ways of oxidized graphite SO₂. This will bring new development direction for future flue gas desulfurization.

Key Words: Quantum Chemistry; Graphene Oxide; Sulfur Dioxide; Density Functional

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.1.1 氧化石墨烯的结构与性质 1

1.1.2 氧化石墨烯的制备 4

1.1.3 氧化石墨烯的应用 5

1.2 量子化学与计算方法 6

1.2.1 密度泛函法 7

1.3 计算软件 8

1.3.1 ADF密度泛函计算软件简介 8

1.3.2 基组简介 8

1.3.3 ADF计算流程 9

1.4 过渡态理论 9

第二章 氧化石墨烯吸附SO₂的模拟细节 11

第三章 氧化石墨烯氧化SO₂的过渡态理论研究 13

3.1 反应途径 13

3.2 反应期间键合结构的转化 14

3.3 结论 14

第四章 展望 16

参考文献 17

致谢 19

第一章 绪论

1.1 引言

石墨烯是一种单层的蜂巢状的碳原子，是一种典型的二维结构化合物，与石墨的单原子层类似，材料厚度最低可低于0.5纳米，是目前二维材料中最薄的。在21世纪初，Geim等^[1]以石墨为原料，采用机械剥离法首次获得石墨烯。正是因为这个特殊的发现，使得碳族元素家族实现了多维度结构产品组成（图1-1）。

图1-1各种碳材料家族

由于其特殊的物化特性，石墨烯材料在航天、电子、光学、医学、储能等领域有广阔的实用价值和科研价值，被科学和工程界媲美为 “未来革命性材料”。但其在规模化生产、绿色制备、新型复合材料等方面仍面临巨大的挑战。作为石墨烯的改性衍生物之一：氧化石墨烯（Graphene Oxide，简称GO），由于其改性了特殊含氧官能团，使得GO材料兼容和优化了石墨烯在制备和应用等方面的某些不足，同时具备了更为优异的物化特性，因此成为当今科学家们所重点关注。

1.1.1 氧化石墨烯的结构与性质

石墨材料经过强氧化反应后，加水进一步分解得到氧化石墨烯。其不仅具有与石墨烯基本相似的结构，还具有较大的比表面积以及表面含有大量的含氧基团，如羟基(-OH)、羧基(-COOH)以及环氧基(C-O-C)等^[2]。氧化石墨烯是一种性能优异的新型碳材料，由于其价格低廉，易于制备，可规模化生产以及具有良好的加工性能，因此常被作为大规模生产石墨烯的前驱体。

（1）氧化石墨烯的结构

历史的长河中，化学家们尝试对氧化石墨烯类材料的结构进行详细而准确的定义，以便于在碳族材料的研究获得突破。从20世纪50年代开始，相继提出了GO结构的三大基本模型：Hofmann^[3]模型（图1-2a）、Ruess^[4]模型（图1-2b）和 Scholz-Boehm^[5]模型（图1-2c）。之后由Nakajima及Matsuo^[6]提出的与氟化石墨类似的氧化石墨烯结构的模型也是值得注意的（图1-2d）。通过这些早期的科研探索，为人们进一步理解氧化石墨烯的结构提供了参考科学价值。到目前为止，即使采用一些先进的测试方法，如拉曼光谱、XRD、核磁等科研手段对氧化石墨烯的结构进行了分析，但由于外界和各种不稳定因素影响，氧化石墨烯的准确结构还是无法得到确定，这也是困扰该领域获得突破性研究的阻碍之一。

图1-2 氧化石墨烯的几种猜测空间结构

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