耿俊杰, 張兆春, 鄢奇楨, 郭海波, 王 洋

(1. 上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200444; 2. 上海大學(xué)計算機工程與科學(xué)學(xué)院, 上海 200444)

基于2 維原子晶體微機械剝離與其生長、制備等方面的一系列進展, 形成通過識別和構(gòu)建關(guān)鍵結(jié)構(gòu)單元, 進而實施組裝(即隨需而制) 的研究策略[1-2], 已經(jīng)引起人們極大的關(guān)注. 該研究策略旨在通過微機械剝離與生長工藝, 制備2 維原子晶體; 利用化學(xué)功能化、應(yīng)變工程、雜質(zhì)工程等, 對2 維原子晶體的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及物理、化學(xué)性質(zhì)進行修飾; 將2 維原子晶體作為基本結(jié)構(gòu)單元進行多重堆疊, 構(gòu)建新型3 維晶體材料. 依據(jù)這種策略, 從理論上講,可以構(gòu)建幾乎無限的、具有不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的2 維、3 維原子晶體. 在理論上定性或定量地將2 維原子晶體的點缺陷視為化學(xué)實物, 利用化學(xué)熱力學(xué)原理研究點缺陷的生成、濃度與分布、化學(xué)反應(yīng)與平衡等一系列問題, 應(yīng)該被視為對于經(jīng)典缺陷化學(xué)知識體系加以適度拓展的重要內(nèi)容之一. 研究人員已經(jīng)在相關(guān)領(lǐng)域進行了初步的計算與實驗研究, 如①摻雜或含氫空位石墨烷對于部分氣體分子的吸附和傳感特性[3-5]; ②將石墨烷電子學(xué)性質(zhì)進行調(diào)制, 并將其應(yīng)用于熱敏二極管、場效應(yīng)晶體管、生物分子傳感器等諸多研究[6-8].

研究發(fā)現(xiàn), 硫酸吲哚酚是一種蛋白結(jié)合類毒素, 可誘導(dǎo)全身氧化應(yīng)激并造成心血管損害,最終導(dǎo)致血管硬化與心功能不全等病理改變[9-10]. 實施對血清中硫酸吲哚酚含量的監(jiān)測與清除, 對防治心血管疾病、保護心臟功能具有重要的臨床意義. 檢測硫酸吲哚酚的方法主要有高效液相色譜-熒光法[11-12]以及高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法[13]. 在分子水平上研究硫酸吲哚酚和蛋白質(zhì)、酶結(jié)合的分子生物學(xué)機制, 以及在監(jiān)測與清除過程中硫酸吲哚酚與傳感器、吸附劑核心材料表面相互作用的物理化學(xué)機制則鮮有報道.

本工作目的是利用第一性原理探究硫酸吲哚酚和含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體的相互作用, 以期在分子尺度上深化對硫酸吲哚酚與2 維原子晶體相互作用物理化學(xué)機制的理解. 本工作的計算結(jié)果可以為基于2 維原子晶體研發(fā)新型的生物活性分子、人體血液毒素分子傳感器核心材料以及設(shè)計吸附劑提供參考.

1 計算方法

本工作基于密度泛函理論和平面波贗勢方法進行第一性原理計算, 執(zhí)行軟件為VASP (Vienna Ab-initio simulation package)[14-17]. 交換關(guān)聯(lián)相互作用采用廣義梯度近似(generalized gradient approximation, GGA) 方法且結(jié)合PBE (Perdew-Burke-Ernzerh)方法進行描述, 電子與離子之間的相互作用采用投影擴充波(projector augmented wave,PAW) 方法表示. 氫(H)、硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、硫(S) 元素的價電子數(shù)分別為1(1s1)、5(1s22s22p1)、6(1s22s22p2)、7(1s22s22p3)、8(1s22s22p4)和6(1s22s22p2). 采用4×4×1超晶胞, 布里淵區(qū)采樣使用Monkhorst-Pack 方法. 由平面波截斷能和k 點密度測試可知, 當(dāng)二者分別為400 eV 和3×3×1 時, 計算能量誤差為0.001 eV·atom?1. 超晶胞中的所有原子都進行充分的弛豫, 收斂判據(jù)為每原子受力小于0.005×10?9eV·m, 電子自洽能量差小于10?6eV.

2 計算結(jié)果與分析

2.1 含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體

如果沿著與金剛石晶體[0001] 垂直的方向剝離出一層原子晶面并進行氫化, 以使所有的不飽和碳原子(sp2雜化) 形成C(sp3)-H 鍵, 得到石墨烷2 維原子晶體. 仿此思路, 如果由金剛石晶體直接剝離出2 層相鄰的碳原子晶面并進行氫化, 就可以獲得一種含有2 層碳原子(sp3雜化)的2 維原子晶體,即氫化立方金剛石(hydrogented cubic diamond, HCD)2 維原子晶體.另外一種構(gòu)建氫化立方金剛石2 維原子晶體的過程可以描述如下: 將2 片石墨烷的相鄰面進行脫氫處理, 生成的不飽和碳原子再相互鍵合形成C(sp3)—C(sp3) 鍵. 構(gòu)建氫化立方金剛石2 維原子晶體過程的第3 種描述為將金剛烷分子沿著由C-3, 4, 5, 6, 7, 10 形成的椅式環(huán)己烷所在的平面加以擴展. 上述3 種構(gòu)建過程皆可形成氫化立方金剛石2 維原子晶體(見圖1(a)).在某些特定實驗過程, 如石墨烷暴露于氫等離子體中, 分析結(jié)果顯示石墨烷通常存在氫空位點缺陷. 形成氫空位導(dǎo)致石墨烷具有更高的化學(xué)活性, 氫空位位點對于探針分子亦具有更高的敏感度[18]. 本工作通過在氫化立方金剛石2 維原子晶體碳原子層中央直接生成氫空位的方法,構(gòu)建含氫空位氫化立方金剛石(hydrogen vacancy-HCD, Hv-HCD) 2 維原子晶體(見圖1(b)).

圖1 氫化立方金剛石與含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體結(jié)構(gòu)(球棒分子結(jié)構(gòu)模型)Fig.1 Crystal structures of hydrogenated two-dimensional atomic diamonds with and without hydrogen vacancy (Ball-and-stick models)

對于HCD 2 維原子晶體, 經(jīng)過計算優(yōu)化所得的C—H 鍵長為1.11×10?10m, 與典型碳氫化合物的C—H 鍵長相同; C—C 鍵長為1.52×10?10m, 與金剛石晶體結(jié)構(gòu)sp3雜化碳原子鍵長(1.53×10?10m) 極為接近, 同時遠大于石墨晶體結(jié)構(gòu)sp2雜化碳原子鍵長(1.42×10?10m). 對于Hv-HCD 2 維原子晶體, 氫空位碳原子與其緊鄰碳原子之間的鍵長計算值為1.48×10?10m, 小于HCD 2 維原子晶體的C—C 鍵長值, 由此可以推知, 氫空位導(dǎo)致HCD 2 維原子晶體在氫空位碳原子格點產(chǎn)生壓縮應(yīng)變.

HCD 和Hv-HCD 2 維原子晶體的形成能(Ef) 可計算為

式中: E2D、E(C)、E(H) 分別為2 維原子晶體、碳原子、氫原子的能量; m、n 分別為2 維原子晶體中碳原子和氫原子的數(shù)目. 氫空位形成能(Ef,Vac) 可計算為

式中: N 為氫化立方金剛石2 維原子晶體的總原子數(shù)目; E(N,Vac) 表示為含有一個氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體的能量; E(N) 表示為沒有任何點缺陷的氫化立方金剛石2 維原子晶體的能量.

本工作的HCD 2 維原子晶體禁帶寬度計算值為2.80 eV. 對于石墨烷(椅式) 2 維原子晶體, 利用第一性原理計算得出的禁帶寬度為4.71 eV[18]. 如前所述, HCD 2 維原子晶體可以視為由2 層石墨烷產(chǎn)生的衍生結(jié)構(gòu). 2 種2 維原子晶體因為碳原子晶面數(shù)不同而導(dǎo)致禁帶寬度發(fā)生改變, 說明該類2 維原子晶體可以通過調(diào)整碳原子晶面數(shù)對禁帶寬度進行調(diào)制. 由此可以推知, 對于石墨烯、石墨烷、石墨炔等2 維原子晶體, 通過精確控制碳原子晶面數(shù)(層數(shù)), 便可以實現(xiàn)該類材料禁帶寬度的調(diào)制, 從而設(shè)計出具有特殊光電性質(zhì)的新型2 維原子晶體半導(dǎo)體材料與結(jié)構(gòu). 另外, 雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷也對半導(dǎo)體材料的性質(zhì)產(chǎn)生重要的影響. 本工作Hv-HCD 2 維原子晶體禁帶寬度計算值為1.78 eV, 與HCD 2 維原子晶體相比, 其禁帶寬度因氫空位而有所減小.

將不同的2 維原子晶體按照一定的規(guī)則進行堆積, 可以構(gòu)建出眾多新穎的層狀結(jié)構(gòu). 圖2為由單層石墨烯(G) 和六方氮化硼(h-BN) 與氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體構(gòu)建的范德華異質(zhì)結(jié)(G/Hv-HCD、h-BN/Hv-HCD) 的晶體結(jié)構(gòu). 有關(guān)G/Hv-HCD、h-BN/Hv-HCD范德華異質(zhì)結(jié)、HCD 和Hv-HCD 2 維原子晶體體系的形成能和氫空位形成能計算值如表1所示.

表1 4 種2 維原子晶體體系的形成能和氫空位形成能Table 1 Formation energies and formation energies of hydrogen vacancy for four two-dimensional atomic diamond systems

圖2 單層石墨烯和六方氮化硼與含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體范德華異質(zhì)結(jié)Fig.2 Van de Waals heterostructures consisting of hydrogenated two-dimensional atomic diamond with hydrogen vacancy on top of a monolayer graphene and hexagonal boron nitride (The boron atom is represented by a small green ball, the nitrogen atom by a dark brown ball)

h-BN 是一種寬帶隙絕緣體, 其禁帶寬度為5.97 eV[19]; Hv-HCD 2 維原子晶體是一種半導(dǎo)體, 其禁帶寬度為1.78 eV (T = 0 K). 當(dāng)單層h-BN 與Hv-HCD 2 維原子晶體構(gòu)建范德華異質(zhì)結(jié)時, 由于二者禁帶寬度相差較大, 故傾向于形成類型Ⅰ能帶結(jié)構(gòu)[20], 即包容型結(jié)構(gòu). 在這種結(jié)構(gòu)中, 較大的能帶階躍將異質(zhì)結(jié)電子和空穴限制于Hv-HCD 2 維原子晶體中. 從載流子隧穿速率視角也可以對這種電子結(jié)構(gòu)特征加以分析, 即當(dāng)載流子在單層h-BN 與Hv-HCD 2 維原子晶體之間傳輸時, 其隧穿速率為Γ ～exp(?(2m?E/?2)1/2?x), 其中m?為電子有效質(zhì)量, ?E 為隧穿勢壘高度, ?x 為隧穿勢壘寬度. 由此關(guān)系式可知, 載流子隧穿速率Γ 將隨勢壘高度?E 的增大呈指數(shù)式下降.

石墨烯原胞含有2 個晶體學(xué)等價的碳原子,2 個隸屬于不同不可約表示,且顯現(xiàn)pz特性的子能帶在動量空間K 點和K′點費米能量處相互交叉, 因此未摻雜的石墨烯是一種零間隙半導(dǎo)體[21]. 子能帶線性色散導(dǎo)致石墨烯產(chǎn)生質(zhì)量為0 的準(zhǔn)粒子, 即狄拉克費米子. 在能量接近簡并點時, 電子態(tài)形成完美狄拉克錐. 零能隙亦阻止狄拉克費米子獲得有限質(zhì)量[22]. 當(dāng)石墨烯與Hv-HCD 2 維原子晶體構(gòu)建范德華異質(zhì)結(jié)時, 將形成類似于金屬-半導(dǎo)體接觸式結(jié)構(gòu). 基于固體能帶理論分析, 電子從石墨烯擴散至Hv-HCD 2 維原子晶體應(yīng)是暢通的. 如果從載流子隧穿速率角度分析, 當(dāng)載流子在單層石墨烯與Hv-HCD 2 維原子晶體之間傳輸時, 其隧穿速率Γ將隨電子有效質(zhì)量m?的減小呈指數(shù)級增大. 這種載流子傳輸特征意味著石墨烯對Hv-HCD 2 維原子晶體的氫空位碳原子(碳自由基) 能夠起到一定程度的穩(wěn)定作用, 類似于在3 苯甲基自由基中, 因共軛效應(yīng)的緣故, 該自由基穩(wěn)定到可以進行分離研究. 由表1 可知, G/Hv-HCD 2 維原子晶體異質(zhì)結(jié)的氫空位形成能(正值) 低于Hv-HCD 和h-BN/Hv-HCD 2 維原子晶體體系, 而其形成能(負值) 之絕對值又高于Hv-HCD 和h-BN/Hv-HCD 2 維原子晶體體系, 這種差異直接反映了3 種含氫空位2 維原子晶體體系在能量效應(yīng)和熱力學(xué)穩(wěn)定性方面的特征.

2.2 Fukui 函數(shù)

作為能簡捷而準(zhǔn)確地探測分子反應(yīng)信息的一種方式, 基于電子能量和密度表征分子局部反應(yīng)的敏感性的特征參數(shù)——Fukui 函數(shù), 已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于有機反應(yīng)與生物體系. 本工作采用有限差分近似定義的Fukui 函數(shù), 其計算公式如下[23-26]:

表2 列出了HCD 2 維原子晶體碳原子、Hv-HCD、h-BN/Hv-HCD 和G/Hv-HCD 2 維原子晶體氫空位碳原子的Fukui 函數(shù)計算值, 2 種特征碳原子在各自的2 維原子晶體體系中皆擁有最大的Fukui 函數(shù)值.

表2 4 種2 維原子晶體體系的特征碳原子Fukui 函數(shù)值Table 2 Values of condensed Fukui function at characteristic carbon atoms for four two-dimensional atomic diamond systems

Fukui 函數(shù)值是分子反應(yīng)位點敏感度的一種度量. 具有正的、較大的Fukui 函數(shù)值表明相應(yīng)原子位置的軟度亦較大, 按照軟硬酸堿理論, 較大的軟度表明原子位點的反應(yīng)趨勢較為顯著. 由表2 可知, 對于3 種含氫空位2 維原子晶體體系而言, 氫空位碳原子與HCD 2 維原子晶體碳原子相比皆具有較大的f+(r) 和f?(r) 值, 表明氫空位碳原子呈現(xiàn)較大的親核或親電反應(yīng)趨勢. 另外, Hv-HCD 和h-BN/Hv-HCD 體系氫空位碳原子的f?(r) 略高于f+(r), 意味著此2 種體系氫空位碳原子的親電反應(yīng)趨勢略為顯著. 然而, G-Hv-HCD 2 維原子晶體異質(zhì)結(jié)氫空位碳原子的f?(r) 明顯小于f+(r), 似乎表明其氫空位碳原子具有明顯的親核反應(yīng)趨勢.由上述分析可見, 通過設(shè)計構(gòu)建2 維原子晶體范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu), 可以對2 維原子晶體的能帶結(jié)構(gòu)、載流子輸運及其表面物理化學(xué)性質(zhì)進行調(diào)制, 實現(xiàn)人工結(jié)構(gòu)的改性.

2.3 水-含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體相互作用體系

Fukui 函數(shù)計算結(jié)果顯示, 水氧原子具有較大的f+(r) 值, f+(r) = 0.010, 而水氫原子具有較大的f?(r) 值, f?(r)=0.022. 由此可以得知, 當(dāng)水分子與含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體發(fā)生相互作用時, 可能存在2 種吸附位點和取向, 即①水氧原子(親核反應(yīng)位點) 與氫空位碳原子(親電反應(yīng)位點); ②水氫原子(親電反應(yīng)位點) 與氫空位碳原子(親核反應(yīng)位點).按照2 種作用位點與取向方式, 將單一水分子置于Hv-HCD、h-BN/Hv-HCD、G/Hv-HCD 2 維原子晶體4×4×1 超級晶胞表面, 構(gòu)建相互作用體系初始結(jié)構(gòu), 其對應(yīng)的表面覆蓋度為10%. 2 種體系初始結(jié)構(gòu)經(jīng)計算優(yōu)化, 所得體系能量最為有利的終態(tài)結(jié)構(gòu)幾乎是相同的, 即水氫原子(非氧原子)接近2 維原子晶體中氫空位碳原子(見圖3).

圖3 水分子-含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體作用體系能量最為有利的構(gòu)型Fig.3 Most energetically favorable configurations resulting from interactions of water molecules on surfaces of hydrogenated two-dimensional atomic diamonds with hydrogen vacancy

以水與Hv-HCD 2 維原子晶體作用體系為例, 水氫原子(親電反應(yīng)位點) 與氫空位碳原子(親核反應(yīng)位點) 的Fukui 函數(shù)的和為f?(r) + f+(r) = 0.022 + 0.081 = 0.103, 該值大于水氧原子(親核反應(yīng)位點) 與氫空位碳原子(親電反應(yīng)位點) 的Fukui 函數(shù)之和(f+(r)+f?(r) = 0.010+0.014 = 0.024), 說明當(dāng)水分子與Hv-HCD 2 維原子晶體相互作用時, 位點與取向②較①具有更大的相互作用幾率. 有關(guān)2 種作用位點與取向的優(yōu)化結(jié)構(gòu), 第一性原理計算結(jié)果與此按照軟度分析的結(jié)果是一致的.

值得注意的是, 水分子在含氫空位碳原子位點處仍以分子形式存在, 并未發(fā)生解離產(chǎn)生羥基自由基. 就此現(xiàn)象而言, 氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體與部分氧化物原子晶體不同, 如TiO2的水分子在其表面吸附時通常發(fā)生解離[27-28]. 水分子-含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體體系的相互作用能(Eint) 可以定義為

式中: E(H2O ?HvD)、E(H2O)、E(HvD) 分別表示為水分子氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體體系、水分子、氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體的基態(tài)能量. 基于第一性原理和式(5) 計算的水分子與Hv-HCD、h-BN/Hv-HCD、G/Hv-HCD 2 維原子晶體體系的相互作用能分別為?11.50、?7.72、5.79 kJ·mol?1, 隸屬弱相互作用類型, 其中水分子與G/Hv-HCD 2 維原子晶體的相互作用能為正值, 即為一個吸熱過程.

與氟、氧、氮等原子不同, 碳原子因其具有較小的電負性, 一般不形成氫鍵. 然而, 當(dāng)碳原子與氮、氯等原子直接相連, 或像本工作研究的2 維原子晶體存在氫空位時, 碳原子的電負性,即吸引電子的能力增強, 也可以產(chǎn)生氫鍵. 氫原子與碳原子的范德華半價[29]之和為0.110 +0.160 = 0.270 (nm), 2 種原子的共價半價[30]之和為0.031 + 0.076 = 0.107 (nm). 由圖4 所示的取向②的優(yōu)化結(jié)構(gòu)可知: 水氫原子與Hv-HCD、h-BN/Hv-HCD、G/Hv-HCD 2 維原子晶體氫空位碳原子的距離分別為0.203、0.201、0.195 nm, 該值小于氫原子與碳原子的范德華半價之和, 卻大于氫原子與碳原子的共價半價之和; 氫鍵的鍵能一般約為8～50 kJ·mol?1. 綜合考慮水氫原子和氫空位碳原子的距離和體系相互作用能, 可以認(rèn)為水分子和氫空位碳原子之間形成了氫鍵.

圖4 硫酸吲哚酚(C8H6N(OSO3H))-含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體作用體系能量最有利的構(gòu)型Fig.4 Most energetically favorable configurations resulting from interactions of indoxyl sulfate molecules on surfaces of hydrogenated two-dimensional atomic diamonds with hydrogen vacancy

2.4 硫酸吲哚酚-含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體相互作用體系

對于硫酸吲哚酚分子, 原子O-13 具有較大的f+(r) 值, 原子C-7 則具有較大的f?(r) 值.由此亦可以推知, 當(dāng)硫酸吲哚酚分子與含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體體系相互作用時, 可能存在2 種作用位點和取向, 即①硫酸吲哚酚O-13 原子(親核反應(yīng)位點) 與氫空位碳原子(親電反應(yīng)位點); ②硫酸吲哚酚C-7 原子(親電反應(yīng)位點) 與氫空位碳原子(親核反應(yīng)位點). 以硫酸吲哚酚與Hv-HCD 2 維原子晶體作用體系為例, 根據(jù)Fukui 函數(shù)計算結(jié)果以及軟硬酸堿理論, 硫酸吲哚酚O-13 原子(親核反應(yīng)位點) 與氫空位碳原子(親電反應(yīng)位點) 的f+(r)+f?(r) 值為0.008 + 0.014 = 0.022, 該值小于硫酸吲哚酚C-7 原子(親電反應(yīng)位點) 與氫空位碳原子(親核反應(yīng)位點) 的f?(r)+f+(r) 值: 0.021 + 0.081 = 0.102, 說明當(dāng)硫酸吲哚酚分子與氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體體系相互作用時, 二者沿著位點與取向②較①具有更大的幾率. 硫酸吲哚酚分子-含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體體系相互作用初始結(jié)構(gòu)的構(gòu)建同水-含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體體系, 經(jīng)由第一性原理計算, 所得硫酸吲哚酚分子-含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體體系的能量最有利的構(gòu)型如圖4 所示.

對圖4 進行分析可知, 當(dāng)硫酸吲哚酚與Hv-HCD、h-BN/Hv-HCD、G/Hv-HCD 2 維原子晶體體系發(fā)生相互作用時, 硫酸吲哚酚分子皆發(fā)生化學(xué)分解, 生成3-吲哚酮和二氧化硫, 原硫酸吲哚酚磺酸基之羥基則與氫空位碳原子鍵合形成醇羥基. 這種作用機理與水分子-氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體相互作用體系具有明顯的差異, 存在化學(xué)鍵的生成、破壞以及原子重排. 基于第一性原理基態(tài)能量計算結(jié)果, 通過式(5) 計算的硫酸吲哚酚與Hv-HCD、h-BN/Hv-HCD、G/Hv-HCD 2 維原子晶體相互作用體系的作用能分別為?162、?135、?112 kJ·mol?1, 預(yù)示其作用類型隸屬強相互作用.

2.5 水與硫酸吲哚酚共存體系

對于人體體液毒素分子的檢測與清除, 需要考慮水組分對毒素分子與傳感或吸附核心材料相互作用的影響. 圖5 為含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體4×4×1 超晶胞表面,首先與單一水分子相互作用, 然后引入硫酸吲哚酚分子發(fā)生競爭、相互作用的過程. 經(jīng)由第一性原理計算可知, 水分子在氫空位碳原子位點形成氫鍵, 硫酸吲哚酚分子隨即替代水分子競爭、相互作用, 并且在氫空位碳原子位點發(fā)生化學(xué)解離, 該相互作用過程的能量變化為?E =?79.1 kJ·mol?1.

圖5 水和硫酸吲哚酚與含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體相互作用示意圖Fig.5 Schematic plot of interaction of coexisting water and indoxyl sulfate with hydrogenated two-dimensional atomic diamond with hydrogen vacancy

3 結(jié)束語

本工作基于立方金剛石晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)建了2 種新型的碳基2 維原子晶體, 即HCD 和Hv-HCD, 進而基于Hv-HCD 又構(gòu)建了2 種2 維原子晶體范德華異質(zhì)結(jié), 即h-BN/Hv-HCD和G/Hv-HCD; 利用第一性原理分別計算了4 種2 維原子晶體體系、硫酸吲哚酚、水分子的Fukui 函數(shù). 在Hv-HCD、h-BN/Hv-HCD 和G/Hv-HCD 體系中, 氫空位碳原子皆有較大的f+(r) 和f?(r) 值, 成為含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體體系的親電和親核反應(yīng)活性位點.

當(dāng)水分子與含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體體系相互作用時, 水分子沒有發(fā)生解離, 其O—H 鍵與2 維原子晶體體系氫空位碳原子形成氫鍵. 當(dāng)硫酸吲哚酚與含氫空位氫化立方金剛石2 維原子晶體體系相互作用時, 硫酸吲哚酚分子發(fā)生化學(xué)分解, 生成3-吲哚酮和二氧化硫, 原磺酸基羥基與氫空位碳原子結(jié)合形成醇羥基.