第42卷第4期

2025年8月

J. At. Mol. Phys., 2025, 42: 041007 (5pp)

五边形石墨烯氧气吸附与解离特性研究

吴旌贺” ，丁雅妮” ，郭梦雨” ，陈卫光” ，史金磊？

原子与分子物理学报

JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS

Vol. 42No. 4

Aug. 2025

（1.河南财政金融学院创新创业学院，郑州450046；2.郑州师范学院物理与电子工程学院郑州市低维纳米材料重点实验室，郑州450044）

摘要：基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了O2在五边形石墨烯(PG)上的吸附与解离动力

学行为：研究结果表明,PG并不能有效地激发02,形成稳定的氧吸附结构需要克服约0.54eV势垒，并且

吸附的02分解需要克服约0.82eV势垒，然而,0,分解后的PG衬底结构却能使后续吸附的02分子自动

分解,破坏C-C键,以致PG在空气中难以稳定存在基于此,为了避免PG结构在空气中被氧化,我们进

一步提出将过渡金属原子吸附PG,使得O,更容易被过渡金属原子吸附与激发,从而避免了PG被氧化

关键词：五边形石墨烯；O,吸附与解离；第一性原理计算

中图分类号：0469

Investigation of O, adsorption and dissociation

properties on pentagonal graphene

文献标志码：A

D0I: 10.19855/j.1000-0364.2025.041007

WU Jing-He', DING Ya-Ni?, CUO MENG-Yu², CHEN Wei-Guang’, SHI Jin-Lei?

(1. School of Innovation and Entrepreneurship, Henan Finance University, Zhengzhou 450046, China;

2. Zhengzhou Key Laboratory of Low Dimensional Micro -nano Materals, College of Physics and Electronic Engineering,

Zhengzhou Normal University, Zhengzhou 450044, China)

Abstract: Based on first - principles calculations using density functional theory, the adsorption and dissociation

kinetics of O2 on pentagon graphene (PG) were investigated. The results show that PG cannot effectively activate

O2, which requires overcoming a barrier of about 0. 54 eV to form a stable oxygen adsorption structure, and the

dissociation of adsorbed O, needs to overcome a barrier of about 0. 82 eV. However, the substrate after the disso-

ciation of the oxygen molecule can effectively activate O, molecules, allowing subsequent adsorbed O, to self -

decompose on the substrate, and thus leading to the instability of PG in the air. Based on this, in order to avoid

the oxidation of the PG structure in the air, we further propose to adsorb transition metal atoms onto PG, making

it easier for O, to be adsorbed and activated on transition metal atoms, thereby preventing the oxidation of PG.

Key words: Penta - graphene; O, adsorption and dissociation; First-principles calculations

电子特性及其潜在应用从而引起了研究人员越来

1 引 言

越多的关注，

自从发现石墨烯以来，二维纳米结构已成为

最近，科研人员通过理论预测发现一种C的

纳米材料和纳米技术的热门研究领域["]．由于石

同素异形体，称为五边形石墨烯（Pent－graphene，

墨烯所具有的出色的机械、电子和输运特性及其

PG)，它是由五边形碳原子构成，具有C的 sp²

众多技术应用更加促使人们积极寻找新型二维材

及sp°杂化[3].PG具有较好的动力学稳定性，能

料[2]．而C的同素异形体，由于其新颖的结构和

够在高温1000K下保持稳定．同时，它还具有出

收稿日期：2023-11-28

基金项目：国家级大学生创新训练计划项目（202312949001）；河南省博士后科研项目（HN2022140）；国家自然科学基金青年科学基

金（12204431）；河南省教育厅高等学校重点科研项目（24B140012）

作者简介：吴族贺（1978一），男，河南郑州人，主要从事第一性原理计算，

通信作者：史金磊.E-mail：jlshi@zznu.edu.cn

041007-1

第42卷

色的负的泊松比及宽度可调的准直接带隙，这些

特性使PG及其衍生物在纳米电子学、纳米力学、

储能和催化剂领域具有巨大的应用潜力[4-9]，比

如，在力学方面，PG还具有较高的屈伸强度和抗

拉极限强度，因而可以用于开发电子设备器件10]。

对PG施加单轴或者双轴应变，可以更好地研究

PG的压电效应[1]．同时，在气体探测方面，最

近的研究表明，PG还对特定的氮的氧化物具有高

度的气敏及选择性能，因而可以用于气体传感

器，研究人员发现，PC对小分子气体，如

H,O，H,S，NH，CO及SO2，表现出物理吸附,

而对NO则是化学吸附，由于PG对分子气体的吸

附会改变其电子性能，表明PG在气体探测应用

方面也是比较理想的候选者[9]．在催化方面，B

掺杂、NB共掺杂、N掺杂及Fe掺杂的PG被预

测是CO催化氧化的可行材料[13-14]，而近期一篇

报道称PG负载的Pt-SAC可用于高效 CO催化氧

化[15].显然，PG表面与空气中的小分子气体间

的吸附作用，会影响PG器件在实际应用中的性

能，因此研究PG与分子气体的微观动力学研究

尤为重要．最近的报道称PG可用于无金属催化

剂负载的材料用于高效CO及NO催化氧化[5.16],

原子与分子物理学报

PG，表面沿法线方向设置20A真空层以避免超

胞间相互作用．扩散能垒计算采用ClimbingImage

Nudged Elastic Band(CI-NEB)算法搜索过渡态[201,

研究过0,吸附及解离过程.

3结果与讨论

3.1PG结构模型与电子结构

如图1（a）所示，优化的PG的晶格常数α=b

=3.64A，层厚度为h=0.60A，PG结构中包含

两种类型的C原子，分别为Csp2和Csp3，其中由

Csp²构成的C-C单键键长为1.34A，由Csp2和

Csp3双键键长为1.55 A.

(a)

82

(b)

X g1

第4期

(c)

2

-2

4

此外，报道称O,能够在PG表面直接分解，因而

M

在空气中难以稳定存在等结论[17]，然而，这些报

道却未对O,与PG表面相互作用的微观机制做深

入探讨，因此有必要对PG与分子气体间的相互

作用做进一步研究.

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计

算方法，研究了O,分子在PG上的吸附微观动力

学行为．深人分析了PG衬底上氧吸附结构的解

离过程，厘清了PG在空气中被氧化的机制，并

提出了PG抗氧化的方案该研究结果将为 PG材

料在实验上的合成与制备提供理论借鉴.

2计算方法与模型

计算基于密度泛函理论(DFT)的VASP程序

包[18]．采用全电子的投影缀加平面波方法（PAW）

描述芯电子与价电子间的相互作用，对于交换一

关联相互作用，采取基于广义梯度近似的Perdew

-Burke-Ermzerhof（PBE）泛函[19]，计算中电子

波函数展开所采用的平面波矢的截断能选取500

eV.结构弛豫及电子结构计算采用Monkhorst-

Pack型网格，k点分别为3× 3× 1及21× 21

×1.模型采用3× 3超胞（包含54个碳原子）的

-6

图1(a)PG结构3× 3超胞模型；（b)PG第一布

里渊区高对称K点；（c)电子能带结构.

Fig. 1（a) PG 3 × 3 supercell. （b) High symmetry

K points of the first Brillion Zone (BZ) of PG.

(c) Electronic band structure of PG with PBE

functionals.

此外，在研究分子吸附之前，我们还研究了

五边形石墨烯的电子性能来验证我们的研究方法

的可靠性．如图1（c）所示，我们给出了采用

PBE交换关联泛函所计算的PG电子能带结构，

其第一布里渊区高对称点如果图1(b)所示，从图

中可以看出PG的价带顶位于I-X，而导带底位

于M－I，表明PG是间接带隙半导体，然而沿着

I－X路径，能带出现了亚导带底，其能量值非常

接近导带底，因此PG也可被视为准直接带隙半

导体．我们计算的准直接带隙值约为2.37eV，

与之前报道相符[3.7]．因此，我们所采用的计算

方法及计算结果是合理的

3.2O,在PG衬底上的吸附与解离

由于前期的报道，如 Chen等人研究表明 PG

041007-2

X

M

第42卷

可以作为无金属负载的催化剂室温下能够实现对

CO的高效催化氧化[5]，而Liu等人研究发现[1],

O,可以在PG衬底上无任何催化剂存在的条件下

112.6°4oC=1.45A

0.536

0.408

TS1

0.293

0.00

FS1

IS

图2（O,在PG衬底上吸附过程的能量路径，其中IS，TS，FS表明反应过程中的初态，过渡态及末态.

Fig.21Minimum energy pathway for O, adsorption on PG. The IS, TS and FS stand for the initial state, transition

state and final state during the reaction, respectively.

我们的计算结果表明，PG并不能有效地吸附

氧分子，具体来讲，当O,与PG间的吸附高度上

大于2.0A时，呈现为物理吸附，而当其吸附高

度小于2.0A时，才表现出对氧气的化学吸附情

况．图2给出了PG对O,吸附与激发的动力学过

程．从图中我们可以看出，氧吸附后的FS1末态量．此时，需要指出的是，由IS直接转变成FS2

能量比初态IS能量升高0.293eV，表明该过程是

吸热反应，并且需要克服0.536eV的势垒，此时

do-0=1.87A

do.c=1.42A

do-0=1.52A

do.c=1.45A

0.00

IS

其次，我们还进一步研究O,在PG衬底上稳

定吸附结构（图2FS2)的解离过程．如图3(IS－

FS1)给出了PG衬底上吸附的O,分子分解过程.

具体来讲，0,分解过程需要克服约0.823eV势

垒，并释放约2.933eV的能量，其中0-0键长

从IS态的1.52A被拉伸至TS态的1.87A，直至

FS1态时的3.05A，并伴随着衬底C-C键的断

裂，更有意思的是，O,解离后的结构FS1，却可

以更有效地激发后续吸附的0,分子，即0,可以在

该衬底结构上直接解离，并释放4.187eV的能

吴旌贺，等：五边形石墨烯氧气吸附与解离特性研究

ado-0=1.27A

doc=1.83A

0.823

TS

图3O,在PG上的解离反应路径及能垒

Fig. 3 Minimum energy pathway for O, dissociation on PG

0.82eV的能量，而解离后的结构却可以使0,在

衬底表面直接分解，破坏C-C键，导致PG在空

041007-3

第4期

实现自我分解，表明PG在氧气中很容易被氧化，

在空气中不容易稳定存在：因此，我们需要对02

在PG上的吸附情况进行深人研究.

do-0=1.34A

do-o=1.34 A 107.72do-c=1.47 A

TS2

的吸附高度约为1.83A，这也意味着当0,的吸附

高度约为1.8A左右时反应才能够顺利进行，否

则表现为物理吸附：而此时，FS1的氧吸附构型

转变为更稳定的吸附构型FS2，仅需要克服一个

很小的势垒，即0.115eV，并释放1.896eV的能

构型需要克服1.015eV的势垒，其吸附高度约为

2.0A，表明该反应路径是比较困难的.

do-0=3.05A

do.c=1.20A

-2.933

FS1

量，如图3所示的FS1－FS2过程.很显然，O,解

离后的结构伴随着PG衬底 C-C 键的断裂，破坏

了衬底PG的结构（图3FS2），导致了结构不稳

定．然而，这一研究结果与之前的报道并不一致，

Chen报道称O,可以在PG上自动分解并不需要势

垒使得PG在空气中不易稳定存在[17]，而我们发

现O,在PG上并不能自动分解，而是需要克服约

do-0=1.52A

do-c=1.45A

-1.603

FS2

0

-7.120

FS2

第42卷

气中难以稳定存在，

3.3PG衬底的抗氧化调控

最后，为了让PG衬底结构能够在空气中稳

定存在，我们还提出了一种衬底保护机制，即，

让PG衬底负载过渡金属原子，使过渡金属原子

激发02，从而避免了衬底被破坏．以过渡金属原

子Sc为例，我们选取c(4×6)的PG超胞，Sc在

PG上最稳定的吸附构型如图4(a)所示，其与衬

底结合能为4.47eV．此时，我们对比两种吸附构

型，一种情况将O,分子吸附在衬底上的C活性位

点，另一种情况则将O,吸附在Sc活性位点上，

比较两种体系的能量．计算结果表明，对于O,吸

附在Sc活性位点（图4(b)）系统能量比0,吸附在

衬底C活性位点（图4（a)）情况低0.942eV，结

果表明，对于过渡金属负载的PG结构，O,优先

吸附在过渡金属原子Sc活性位点，从而避免了

PG衬底结构被氧化破坏.

(a)

(b)

图4（a）O,吸附在Sc吸附的PG衬底上的C活性

位点，（b）O,吸附在Sc吸附的PG衬底上的

Sc活性位点

Fig.4（a) Top and side views of O, adsorbed on C

active binding site of PG deposited by Sc atom.

(b) Top and side views of O, adsorbed on Sc

active binding site of PG deposited by Sc atom.

4结论

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，

研究了O,在五边形石墨烯（PG)上的吸附与解离

动力学行为：研究结果表明，PG并不能有效地激

发02，形成稳定的氧吸附结构需要克服约0.54

eV势垒．此外，O,吸附结构解离过程需要克服约

0.82eV的势垒．然而，O,解离后的衬底结构却

能有效地激发0,分子，使得后续吸附的0,能够在

衬底上自动解离，破坏了PG结构的C-C 键，以

致PG在空气中难以稳定存在：该研究结论有效

否定了之前的报道称O,能在PG上无势垒解离这

一结论基于此，我们还进一步提出了一种避免

原子与分子物理学报

PG结构在空气中氧化的机制，即将过渡金属原子

吸附PG，使得O,更容易被过渡金属原子吸附与

激发，从而避免PG被氧化．该结果不仅阐明了

PG的氧分子吸附及解离过程，而且对PG材料的

制备提供理论借鉴.

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