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Mechanism of Graphene Formation via Detonation Synthesis: A DFTB Nanoreactor Approach

纳米反应器 石墨烯 乙炔 起爆 分子 分子动力学 碳纤维 化学物理 氧化物 材料科学 聚合 化学 纳米技术 计算化学 有机化学 纳米颗粒 复合材料 爆炸物 聚合物 复合数
作者
Tingyu Lei,Wenping Guo,Qingya Liu,Haijun Jiao,Dong‐Bo Cao,Botao Teng,Yongwang Li,Xingchen Liu,Xiaodong Wen
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:15 (6): 3654-3665 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.9b00158
摘要

With the development of theoretical and computational chemistry, as well as high-performance computing, molecular simulation can now be used not only as a tool to explain the experimental results but also as a means for discovery or prediction. Quantum chemical nanoreactor is such a method which can automatically explore the chemical process based only on the basic mechanics without prior knowledge of the reactions. Here, we present a new method which combines the semiempirical quantum mechanical density functional tight-binding (DFTB) method with the nanoreactor molecular dynamic (NMD) method, and we simulated the reaction process of graphene synthesis via detonation at different oxygen/acetylene mole ratios. The formation of graphene is initiated by the breaking of acetylene (C2H2) molecules by collision into pieces such as H atoms, ethynyl (HC≡C•), and vinylidene (H2C═C:) radicals. It is followed by the formation of long straight carbon chains coupled with a few branched carbon chains, which then turned into a 2-D framework made of carbon rings. Trace oxygen could modulate the size of the rings during graphene formation and promote the formation of regular graphene with fused six-membered rings as we see, but the addition of high oxygen content makes more C-containing species oxidized to small oxide molecules instead of polymerization. The calculation speed of the DFTB nanoreactor is greatly improved compared to the ab initio nanoreactor, which makes it a valuable option to simulate chemical processes of large sizes and long time scales and to help us uncover the "unknown unknowns".

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