Adsorption capacity of H2O, NH3, CO, and NO2 on the pristine graphene

石墨烯 吸附 范德瓦尔斯力 密度泛函理论 分子 结合能 材料科学 化学物理 纳米技术 计算化学 化学 原子物理学 物理化学 物理 有机化学
作者
Xianqing Lin,Jun Ni,Chao Fang
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:113 (3) 被引量:116
标识
DOI:10.1063/1.4776239
摘要

First-principles together with statistical mechanics calculations have been performed to study the adsorption behavior of H2O, NH3, CO, and NO2 on the pristine graphene. In the first-principles calculations, we find that the most recent van der Waals (vdW) density functional vdW-DF2 gives even larger binding energies (Eb) that those obtained with the local density approximation, indicating vdW-DF2 may be inappropriate for describing the interaction between these molecules and graphene. With the potential energy curves of the molecules on graphene calculated by the density functional theory, the adsorption capacity (n) of the molecules on the pristine graphene is calculated with the statistical mechanics method. NO2 has the largest n of the order of 108 cm−2 among the four molecules on graphene at room temperature and concentration of 1.0 ppm, but still smaller by almost two order than that on graphene devices estimated from the experimental results. This is probably due to the strong binding of NO2 to the graphene edges with terminating oxygen atoms with Eb as large as 1.0 eV. The calculations of the adsorption capacity of small polar molecules on the pristine graphene and comparison with the experimental values may contribute to the understanding of the mechanism and designing of graphene based gas sensors.
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