Van der Waals作用力对水在石墨烯表面吸附的影响

本项目围绕水在石墨烯等材料表面的吸附等引起人们广泛兴趣的关键问题，利用第一性原理计算工具，发展了密度泛函理论基础上定量描述van der Waals作用的一般方法，取得了一系列重要成果。一方面，我们系统而深入地研究了水和石墨烯之间的相互作用。我们考虑了通常被忽视的范德华力和氢键引起的修正，利用扩散蒙特卡罗(DMC)方法和无规相近似(RPA)方法，突破了传统密度泛函理论的局限，证明了在水/石墨烯体系中考虑Van der Waals作用力的重要性，得出了小于100meV的吸附能，并预言在低温下水分子能在石墨烯表面超快扩散。我们还从考虑Van der Waals作用力的密度泛函理论出发，研究了水与金属基底上的石墨烯（metal-supported graphene）之间的相互作用，结果展示不同的金属基底能够使水和石墨烯之间的相互作用出现不同程度的增强，调控水分子的放置和选择不同的金属基底能够得到电子或空穴掺杂的石墨烯。另一方面，我们在冰表面吸附研究中取得了一系列重要突破。在以往提出的冰表面序参量的基础上，我们构造了被认为是最接近冰的平衡晶形,进行了经验势的分子动力学研究，并分析了van de Waals作用的影响。我们发现冰表面有效电荷所引起的局域电场直接影响着表面层水分子的电偶极矩及Van der Waals作用力，进而使得冰表面分子空位形成能随序参量的变化分布的非常宽，这表明冰表面上的空位数比之前人们估计的要多得多，从而使冰晶颗粒在物理化学反应中比原来预计的要更加活泼。最近我们又证明冰表面的吸附不仅仅取决于冰表面最近邻OH悬挂键，也与整个冰表面悬挂的OH键的相关；同时冰表面的吸附能与序参量之间有一个正比关系，这预示着分子吸附更容易发生在序参量大的冰表面。