关键词： 好氧颗粒污泥   石墨烯   氧化石墨烯   腐殖酸   氧化应激反应  

摘要： 纳米材料石墨烯(Graphene,G)和氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)具有优异的柔韧性、导电性以及导热性,在能量转换与存储、生物医学和环境治理等领域得到了广泛应用。随着其应用量的快速增长,G和GO会被释放到水体和土壤等环境中,给植物生长和动物繁殖带来负面影响。G和GO在水中具有分散性和长期稳定性,污水中的G和GO进入污水处理厂后,可能为污水生物处理过程带来潜在风险。好氧颗粒污泥(Aerobic granular sludge,AGS)技术具有生物量高、抗冲击负荷能力强和沉降性能优等优点,在降低工程投资和提高污水处理效能等方面具有明显的优势,目前已在全球多地的八十多个污水处理厂实现了工程化应用。随着AGS技术的大规模推广和应用,G和GO将不可避免地进入以AGS为技术核心的污水处理厂中,并对AGS系统的启动过程和长期稳定性产生影响。鉴于此,本研究将环境浓度(1 mg/L)的G和GO分别投加至AGS系统中,在反应器的长期运行过程中,深入探究了G和GO对AGS系统启动及长期稳定运行的影响,并从脱氮性能以及氧化应激反应等两个方面深入阐明了其影响机理,最后基于腐殖酸(Humic acid,HA)在调节纳米材料表面特性,阻断纳米材料的反应位点等方面的关键作用,提出了投加HA的调控方案,以减轻G和GO对AGS系统的负面影响。论文首先开展了G和GO对AGS系统启动及长期稳定运行的影响研究。结果表明,与对照组R1相比,实验组R2(投加G)和R3(投加GO)对AGS系统启动及稳定运行具有负面影响。其中,R3中形成的颗粒污泥丝状菌更多、沉降性能更差(污泥容积指数为74.1 m L/g)、粒径更小(平均粒径为1224.4μm),总氮的去除率更低(总氮的平均去除率为50.4%)。此外,高通量测序结果表明,投加GO刺激了胞外聚合物(Extracellular polymeric substance,EPS)产生菌(如Candidatus＿Competibacter)的富集,从而有利于颗粒污泥抵御有毒物质的干扰。综上所述,与G相比,GO对AGS系统启动及长期稳定运行的负面影响更为明显,对颗粒污泥系统产生的毒性更大。论文进一步从脱氮性能以及氧化应激反应两个方面入手,从功能酶活性、功能基因以及相关代谢途径等角度,阐明了G和GO对AGS系统长期稳定性的影响机理。结果显示,与G相比,GO对氮代谢功能酶(如氨氧化酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶)活性和功能基因丰度(如amo A和nir S)的抑制作用更加明显,对氮代谢过程中异化硝酸盐还原(M00530)和同化硝酸盐还原(M00531)过程的负面影响也更大,导致R3出水中的硝酸盐浓度较高,TN的去除率较低,这从生物脱氮的角度证明了GO对微生物的毒性更大。此外,G和GO会诱导微生物发生氧化应激反应,产生过多的活性氧(Reactive oxygen species,ROS),造成细胞膜损伤,乳酸脱氢酶(Lactic dehydrogenase,LDH)释放,超歧物氧化酶(Superoxide dismutase,SOD)和过氧化氢酶(Catalase,CAT)活性升高。在投加GO的R3系统中,上述现象更加明显,这可能是由于GO具有更强的生物毒性,微生物细胞自身的防御能力无法抵御其干扰,这从氧化应激反应的角度证明了GO对微生物的毒性更大。综上所述,与G相比,GO对AGS系统的脱氮性能和氧化应激系统的影响更大。最后,论文提出投加HA减轻G和GO的暴露对AGS系统的负面影响的方法。结果表明,投加10 mg/L HA提高了实验组R2和R3中污泥的沉降性能(污泥容积指数平均值分别为48.6 m L/g和58.5 m L/g),增加了颗粒污泥粒径(均在1455.2±30.6μm范围内),消除了G和GO诱导的氧化应激反应(R2和R3中ROS水平、抗氧化酶SOD和CAT活性以及LDH的释放量均恢复到与R1相近水平),缓解了颗粒污泥紧密结合型EPS中蛋白质的过度分泌(含量分别为37.6 mg/g·MLSS和40.2 mg/g·MLSS)。此外,投加HA提高了实验组R2和R3的总氮平均去除率(分别提高了5.1%和6.2%)。综上所述,投加适量HA能够降低G和GO对AGS系统的负面影响,阻碍G和GO与微生物的直接接触,减轻了G和GO的生物毒性。

关键词： 双原子催化剂   析氧反应   析氢反应   第一性原理计算  

摘要： 作为单原子催化剂(SACs)的延伸,双原子催化剂(DACs)因其可灵活调控的催化性能是目前催化研究领域的前沿热点之一。然而,有关DACs催化机理的探索却仍处在盲区。对此,本文基于密度泛函理论设计了一系列负载在氮掺杂石墨烯表面且适用于电解水的DACs,并通过计算其相应的热力学,动力学性质揭示了其本征催化活性的起源。本文主要研究内容如下:(1)构筑了铂金属双原子(PtM dimer,M=Fe、Co、Ni、Cu)与铂金属-氮掺杂石墨烯(PtM-NDG)两种用于析氢反应的催化剂模型。通过计算氢吸附吉布斯自由能(ΔG)绘制了析氢火山曲线,发现位于火山峰值附近的Pt Fe-NDG,Pt Ni-NDG展现出超越商业Pt催化剂的析氢活性。进一步的电子结构分析表明两者卓越的催化性能源于Pt与M原子之间协同效应对d带中心的精细调控。(2)在铁-四氮(Fe-N4)体系的基础上注入新金属原子(M=Fe、Co、Ni、Cu、Ag、Au)获得了用于析氧反应的铁-金属双原子-六氮催化剂(FeM-N6)。研究发现催化剂过电势随着金属相互作用的增强而降低,其中Fe Fe-N6的过电势仅为0.436V。此外,在反应过程中轴向配体和吸附的中间物种形成了一种竞争关系,优化了中间态之间的过渡能垒,导致催化剂的过电势进一步下降。(3)在NDG上嵌入同核3d过渡金属双原子(M=Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu)构建了同核金属-氮掺杂石墨烯(MM-NDG)体系的催化剂。计算结果表明Cr Cr-NDG激活HO分子解离的能垒仅为0.191 e V,电子结构分析揭示了M原子的前沿轨道形状是造成不同HO分子吸附模式的原因。最后基于拟合的线性回归方程证实了前沿轨道的带中心可以有效充当3d族同核DACs的活性描述符。图66幅,表15个,参考文献118篇

关键词： 超级电容器   三氧化二铁   氧化镍   水热还原法   氧空位  

摘要： 如今,由于化石燃料的消耗和全球变暖等日益严重的能源和环境问题,能源储存引起了全球的关注。超级电容器被认为是储能设备中的有前途的候选者之一,因为它具有高功率密度、低成本和长循环寿命等优点。石墨烯是双电层电容器材料的最佳选择,因为它具有比表面积大、导电性高等优点。金属氧化物可以提供赝电容,但它的电子和离子电导率低,容易发生体积膨胀和收缩,导致化学稳定性差。迄今为止,已经研究了一系列石墨烯/金属化合物作为超级电容器的电极材料。 氧化铁（Fe2O3）具有理论上的优势,如高效率、低成本、环保等,在超级电容器电极材料中有着巨大的潜力,可以为其带来更多的应用前景。Fe2O3的主要缺点是其导电性差,这会导致电解质和电极之间的高电荷转移电阻。氧空位（VO）作为活性位点对金属氧化物的导电性有显著影响。基于此,我们采用水热还原法将九水合硝酸铁(Fe2（NO3）3·9H2O)与氧化石墨烯（GO）结合,制备了含有VO的还原氧化石墨烯（RGO）/Fe2O3-x复合材料,并研究了RGO/Fe2O3-x复合材料的电化学性能。通过循环伏安曲线,恒流充放电曲线以及电化学阻抗谱测定了样品的电化学性能,在0.5 A·g-1电流密度下RGO/Fe2O3-x复合材料的比电容高达1291.5 F·g-1。组装的RGO/Fe2O3-x||RGO/Fe2O3-x对称超级电容器功率密度在120W·kg-1时其能量密度高达49.1 Wh·kg-1,经10 000次充放电循环后,电容保持率仍能达到93.4%。组装的RGO/Fe2O3-x||RGO非对称超级电容器功率密度在150W·kg-1时其能量密度高达73.6 Wh·kg-1,经10 000次充放电循环后,电容保持率高达94.9%。 氧化镍（NiO）在工业上因其高比表面积、良好的导电性、高理论比容量、高稳定性、低成本等优点而得到广泛的研究,但其导电性差,活性表面积低。为了解决这一问题,将其与石墨烯复合,来提高电化学容量。以GO和六水合硝酸镍(Ni（NO3）2·6H2O)为实验原料,加入还原剂甲醇通过水热还原法制备RGO/Ni O。通过扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察表明Ni O纳米棒成功复合在RGO上并且复合效果良好。此外,电化学测试结果显示,RGO/Ni O的比电容为1100 F·g-1(电流密度为0.5 A·g-1),显示出较高的储能性能。此外,经过10000次恒流充放电循环后,RGO/Ni O电容保持率达到90.1%,说明该材料具有较好的循环稳定性。另外调控还原剂水合肼的含量,获得RGO/Ni/Ni O三元共生复合材料。作为一种优秀的导电材料,金属镍的存在可以通过增加法拉第氧化还原反应中的电子转移率来有效降低复合材料的内阻。经电化学测试,RGO/Ni/Ni O三元共生复合材料的比电容高达2316 F·g-1(0.5 A·g-1电流密度下测得)。以RGO/Ni/Ni O为正极,RGO为负极组装非对称型超级电容器,RGO/Ni/Ni O||RGO在功率密度为140 W·kg-1时能量密度高达50 Wh·kg-1,经10 000次充放电循环后,电容保持率高达91.2%。

关键词： 锂硫电池   过渡金属化合物   正极材料   片状结构   复合材料  

摘要： 锂硫电池作为一种有前景的储能体系,因其理论比容量高(1675 m Ah g-1)、硫的资源丰富、成本低、环境友好等优势受到广泛关注。然而,锂硫电池的实际应用仍面临很大的挑战。主要是存在可溶性多硫化物的穿梭效应、硫与固态放电产物的导电性差、充放电循环时体积变化较大等问题。针对上述问题,本文设计合成了还原氧化石墨烯（rGO）与二硫化镍、二氧化钌的纳米片复合材料,研究了其形貌、结构特征以及对多硫化物的吸附、催化性能。将该复合材料用于锂硫电池正极,表现出优异的放电容量、倍率性能和循环稳定性。主要研究内容和结果如下: （1）通过溶剂热反应在氧化石墨烯上原位生长花状Ni-MOF纳米片,在氩气气氛中硫化合成了二硫化镍/还原氧化石墨烯纳米片复合材料（NiS2/rGO）。在NiS2/rGO复合材料中,NiS2纳米片为多硫化物的化学吸附和伴随的电催化转化提供了丰富的位点,能够有效抑制多硫化物的穿梭效应,提高硫的利用率。rGO和NiS2之间形成化学耦合作用,促进界面电荷的转移,从而更加有效地加快硫化物固-液-固相互转化的动力学。灌硫后硫位于NiS2/rGO纳米片的两侧形成三明治结构（NiS2/rGO-S）,这种结构不仅能够有效的缓冲了硫化物在循环过程中的体积变化,而且能够增加正极的空间利用效率,从而获得高的体积容量密度。因此,NiS2/rGO-S电极在0.1 C下的比容量达到1389 m Ah g-1,在1 C的倍率下循环1000圈,平均容量衰减率仅为0.021%。其中,具有88 wt%高硫含量和5.9 mg cm-2高硫负载的NiS2/rGO-88S电极在0.5 C时的可逆容量达到945 m Ah g-1,相应的面积和体积容量分别高达5.6 m Ah cm-2和997 m Ah cm-3,实现了锂硫电池的高硫负载、高面容量、体积容量的同步提高。 （2）利用盐模板法,在空气中退火制备了非晶态RuO2/rGO纳米片复合材料。RuO2/rGO复合材料的片状结构增加了活性位点和硫负载量。高极性的RuO2和可溶性多硫化物之间具有强化学相互作用,而非晶态RuO2丰富的缺陷可以暴露更多的活性位点,有利于吸附和电催化转化多硫化物,有效地缓解了多硫化物的穿梭效应。得益于上述优点,RuO2/rGO纳米片作为硫宿主材料表现优异的电化学性能。RuO2/rGO-S电极不仅在0.1 C时表现出1401 m Ah g-1的初始比容量,并且在1 C下循环800次后,仍然实现了776 m Ah g-1的可逆放电容量,其容量保持率为81%。当RuO2/rGO-85S电极的硫负载量提升到6.2 mg cm-2,在0.5 C电流密度条件下仍表现出970 m Ah g-1的初始放电比容量,循环350圈后平均每圈容量衰减率为0.051%。

关键词： 石墨烯   B掺杂   T型石墨烯纳米管   结构稳定性   电化学性  

摘要： 石墨烯作为具有代表性的碳基负极材料之一,因具有高表面积、高导热性、高化学稳定性等优点,可作为储能材料而被广泛研究。但本征石墨烯由于其低的理论容量和低的吸附量阻碍了其推广和应用。为了探索出性能优异的碳基负极材料,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统地研究了不同尺寸以及不同浓度硼掺杂对石墨烯的结构稳定性和电化学性能的影响,并阐明了其影响机制。在众多的石墨烯同素异构体中,T型石墨烯具有优异的电化学性能,本文将二维的T型石墨烯片卷曲成一维的T型石墨烯纳米管,系统地研究了管长为N=1,2,3,4本征T型石墨烯纳米管和B掺杂T型石墨烯纳米管的结构稳定性和电化学性能。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对B掺杂浓度分别为3.125%、6.25%和18.75%的石墨烯锂存储性能进行了研究,发现B掺杂可以有效提高石墨烯的锂存储性能。且随着硼掺杂浓度的增加,吸附能逐渐降低。差分电荷密度和态密度均表明B掺杂提高了石墨烯的电导率和吸附锂离子的能力。此外,发现B掺杂可以明显提高石墨烯理论容量,特别是B6C26,理论容量达到1564.57 m Ah/g,明显高于其它多数二维负极材料。对于锂离子的扩散,掺硼石墨烯表现出较低的扩散能垒,说明B掺杂体系可以表现出高倍率的充放电性能。不同尺寸对石墨烯及掺硼石墨烯的结构稳定性和电化学性能的影响研究表明,在吸附行为中,Li离子在掺杂石墨烯表面的储锂量随着晶胞尺寸的增大而增大,尤其是4×4×1尺寸的掺6B石墨烯,在吸锂过程中吸附能较低,结构更稳定。差分电荷和态密度数据表明,随着晶胞尺寸的不断增大,Li离子与B掺杂石墨烯之间的电荷转移减少。综合所有不同尺寸和不同掺B浓度来看,4×4×1尺寸掺6B体系具有优异的导电性和倍率性能。通过系统研究不同管长对本征T型石墨烯纳米管和B掺杂T型石墨烯纳米管的结构稳定性和电化学性能影响,得出以下结论,在吸附行为中,（4,0）T型石墨烯纳米管的吸附能最低,吸附行为最强。无论是本征T型石墨烯纳米管还是B掺杂T型石墨烯纳米管,其吸附能随着管长N的逐渐增加而呈规律性的振荡,同时B掺杂增强了T型石墨烯纳米的吸附能力。差分电荷和态密度数据表明,Li离子对管长N=1的T型石墨烯纳米管的电子性能影响最大,且随着管长N的不断增大,体系的电导率不断减小。通过开路电压数据分析得到,吸附锂后的本征T型石墨烯纳米管和B掺杂T型石墨烯纳米管的初始电压平台随着管长N的不断增大呈规律性的振荡。在迁移行为中,锂离子优先选择在T型石墨烯纳米管内的迁移,且B元素的掺杂能够有效地降低锂离子在其表面的扩散能垒,特别是锂离子在管长N=1的B掺杂T型石墨烯纳米管具有更有效的迁移和优异的倍率性能。

关键词： 钙钛矿太阳能电池   功率转换效率   石墨烯量子点   非辐射复合   双钝化策略  

摘要： 全球经济的高速发展和人类文明的不断进步推动了人类对能源的增长需求。然而,当前全球经济的发展仍然高度依赖煤、石油和天然气等传统化石燃料。随着化石燃料的逐渐枯竭,人类社会需要面对日趋严重的能源问题,开发清洁和可再生能源已经成为世界各国的共识。太阳能是地球上最丰富的可再生能源,取之不尽、用之不竭,如对其进行有效开发和高效利用将很大程度上缓解能源危机。钙钛矿太阳能电池（PSCs）被认为是一种很有前途的太阳能利用技术,自2009年首次报道以来,短短十几年间光电转换效率（PCE）已超过25%,与商业化的单硅太阳能电池相当。传统的PSCs使用昂贵的Spiro-OMeTAD空穴传输材料和金电极,增加了电池的制备成本,且制备工艺复杂。采用碳电极（CE）代替Spiro-OMeTAD和Au电极制备碳基钙钛矿太阳能电池（C-PSCs）,不仅可以降低制备成本,且可以提高电池的稳定性。然而,钙钛矿薄膜的缺陷以及钙钛矿层与CE能级匹配差等问题,阻碍了C-PSCs的PCE及其稳定性的进一步提升。基于此,本论文以新疆大黄山煤为原料制备石墨烯量子点（GQDs）,通过异质元素的掺杂调控其性能,进一步探究了其在C-PSCs中的应用,并采用后处理钝化策略、原位钝化策略以及双钝化策略来提高MAPbI3钙钛矿薄膜质量,最终提高C-PSCs的PCE和稳定性。主要研究内容如下: （1）氮掺杂石墨烯量子点钝化钙钛矿薄膜缺陷的研究。用新疆大黄山煤作为原料,原位制备氮掺杂石墨烯量子点（N-GQDs）,并用后处理策略对MAPbI3钙钛矿薄膜进行改性。N-GQDs中的吡啶氮具有孤电子对,通过共享孤电子对与Pb2+的空6p轨道形成配位键;吡咯氮通过捐赠电子与铅的悬挂键配位。经过N-GQDs钝化后,MAPbI3钙钛矿薄膜中的非辐射复合大大减少,载流子输运能力增强,载流子寿命延长。最终,N-GQDs改性的FTO/SnO2/MAPbI3/N-GQDs/Carbon结构的C-PSCs达到了最高14.31%的PCE,比原始器件的11.90%提高了20.25%,并且C-PSCs的长期稳定性也得到了一定程度的提高。 （2）氟、氮共掺杂石墨烯量子点钝化钙钛矿薄膜缺陷的研究。用HF作为氟源,对N-GQDs进行掺杂改性得到氟、氮共掺杂石墨烯量子点（F/N-GQDs）,然后分别采用原位钝化策略和后处理策略对钙钛矿薄膜进行改性。采用原位钝化策略可以减缓结晶动力学过程,从而获得高质量、大颗粒的钙钛矿薄膜,并且氟原子可以与MA+形成氢键来固定阳离子,从而提高了MAPbI3钙钛矿薄膜热稳定性。后处理钝化策略通过与钙钛矿薄膜表面的欠配位Pb2+相互作用,可以有效地钝化钙钛矿的缺陷,同时改善钙钛矿薄膜形貌并提高结晶度,且能很好地调节MAPbI3钙钛矿膜与CE的能级匹配,从而促进了高效的载流子转移。同时,氟元素的引入提高了钙钛矿薄膜的疏水性,有利于提高器件的稳定性。基于原位钝化策略和后处理钝化策略结构为FTO/SnO2/MAPbI3/F/N-GQDs/Carbon器件的PCE分别为13.82%和14.77%,与原始器件的PCE（12.20%）相比分别提升了13.28%和21.07%。 （3）采用一种双重钝化策略对钙钛矿薄膜进行改性,进一步提高器件性能和稳定性。首先,通过反溶剂将F/N-GQDs引入到钙钛矿薄膜中,并且氟原子可以与MA+形成氢键来固定阳离子,从而提高了热稳定性。同时减缓结晶动力学,从而获得了更大粒径的钙钛矿薄膜。然后,用F/N-GQDs异丙醇溶液对钙钛矿薄膜进行后处理,有效的钝化钙钛矿表面和晶界（GBs）缺陷。最后,双钝化策略不仅形成了大的晶粒,降低了钙钛矿膜的缺陷密度,而且很好地调节了钙钛矿膜与CE的能级匹配,从而促进CE对空穴的提取与收集。原始器件和基于双钝化策略的器件的PCE分别为12.20%和15.86%。

关键词： 石墨烯   第一性原理   表面吸附   气敏性   外电场  

摘要： 化学毒气无疑对人类及国家地区的安全构成了巨大威胁。虽然针对剧毒物质如CNCl、HCN以及NH3等有相当严格的管控,但是必须采取更加积极的预防措施以降低其危害。其中一个有效的方式就是探索一种灵敏度高、针对性强的气敏材料制作传感设备在各有可能出现毒气危害的地方进行部署。石墨烯的高比表面积以及高载流子迁移率等性质,使其对于气体分子具有非常高的灵敏度,能够检测到非常微小的气体变化,天然具有作为气敏材料的潜力。本文基于第一性原理,利用密度泛函计算方法研究了CNCl、HCN和NH3三种有毒有害气体在不同类型金属掺杂石墨烯表面的吸附特性,包括金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、铁（Fe）和镍（Ni）五种金属元素,以及含氧气环境下与氧气在这些基底表面的共吸附性质。在此基础上通过外加电场的方式研究了CNCl、HCN和NH3与O2在Au掺杂石墨烯（Au G）上共吸附特性的调控。主要得到以下结论:（1）Au G、Fe G和Ni G有作为CNCl、HCN和NH3吸附检测材料的可能,Cu G对CNCl具有一定的吸附检测作用,对HCN和NH3不具备吸附检测能力。Ag G对三种气体均不具备吸附检测能力。（2）含氧环境下Au掺杂石墨烯依然对CNCl、HCN和NH3保持一定的吸附检测能力。其他掺杂体系在含氧条件下或对一种或多种气体有一定的吸附效果,但体系电导率无明显变化,不具备检测能力。（3）对含氧条件下CNCl、HCN和NH3在Au掺杂石墨烯上的共吸附体系添加电场作用发现:施加正向电场均可以增强三种气体与基底之间吸附作用,减弱O2与基底之间的吸附作用,而负向电场则相反。对CNCl和O2在Au G表面共吸附体系施加正向0.6左右的电场可以使得CNCl吸附前后体系电导率变化最明显,调控效果最优。对HCN和O2在Au G表面共吸附体系施加正向0.6左右的电场体系电导率变化最明显,调控效果最好。对NH3和O2在Au G表面共吸附体系施加0.4或1.0左右的正向电场均可对吸附体系进行有效调控。综上所述,Au G、Fe G和Ni G有作为CNCl、HCN和NH3检测材料的潜力,但O2的存在会一定程度影响吸附体系的某些性质,在有O2存在的情况下仅有Au G依然保持对CNCl、HCN和NH3一定的检测能力。此外通过施加一定强度的外电场可以有效调节体系的电性质。本文为应对复杂环境下气体传感器材料的特性研究开拓了思路。

关键词： 超表面   石墨烯   表面等离子体激元   完美吸收  

摘要： 表面等离子体激元（Surface plasmon polaritons,简称SPPs）作为一种信息和能量的载体,主要表现在金属或者绝缘体表面光子和电子之间的相互作用,已经在微纳光子学中得到广泛研究。SPPs可以打破衍射极限的优势使其在物理、化学、新能源、信息等领域有着广阔的发展前景。近年来,由于二维材料石墨烯具有独特的物理性质,使其成为研究热点,比如它在太赫兹波段表现出负介电常数,即类金属性,导致石墨烯可以在特定波段内激发表面等离子体激元。相比于传统贵金属,石墨烯激发的SPPs有着无与伦比的优势和光学特性:其一,石墨烯基SPPs具有动态可调性,在实际应用中更具有优势,研究人员们通过施加一个静态电压来调节石墨烯的费米能级,间接控制石墨烯的介电常数和电导率,实现石墨烯基SPPs的动态可调;其二,石墨烯基SPPs具有强局域性并且可在宽频率范围内工作的优点。本文主要以石墨烯基SPPs为基础,以基于石墨烯基SPPs激发的等离子激元诱导透明效应（Plasmon-induced transparency,简称PIT）与完美吸收现象为研究对象,通过时域有限差分法（Finite-difference time-domain,简称FDTD）进行仿真,采用耦合模理论（Coupled mode theory,简称CMT）、阻抗匹配理论来计算并进行仿真与理论拟合分析,从而实现基于单层石墨烯的多重等离子激元诱导透明（Multi-PIT）的太赫兹多模调制器的研究,以及对单层石墨烯微结构的完美吸收增强特性进行探索研究,本论文的主要研究如下:1、设计了一种基于二氧化硅/硅/二氧化硅衬底的单层图案化石墨烯超材料,并实现了典型的三重等离诱导透明效应（Triple plasmon-induced transparency,简称Triple-PIT）。并利用耦合模理论分析了其物理机制,耦合模理论计算的结果与时域有限差分仿真模拟的结果高度一致。通过施加栅极电压调节石墨烯的费米能级并实现动态调谐,利用该结果设计出一个多模电光开关,其谐振频率的调制度（Modulation degree of amplitude,简称MDA）分别为84.0%、87.3%、83.0%、88.1%和76.7%。有趣的是,在E_f=0.8 e V时,该结构的群指数可以高达770,这表明它可以被设计为具有非凡能力的慢光器件。因此,本文的研究结果对太赫兹波段电光开关和慢光器件的研究和设计具有重要意义。2、提出一种石墨烯-电介质-金混合超材料并在太赫兹区域实现了双窄带等离子体激元诱导吸收（Plasmon-induced absorption,简称PIA）,采用耦合模理论分析了其物理机制,其计算结果与时域有限差分仿真模拟的结果非常一致。该研究发现,当所选电介质的反射率（Refractive index,简称RI）不能实现较高的吸收效果时,可以调整石墨烯的费米能级来提高吸收率。此外,吸收光谱的蓝移特性可用于双频电光开关的设计,其中幅度调制度可高达94.05%和93.41%,表明这是一种非常有应用价值的电光开关。此外,还研究了传感性能,该结构表现出高吸收灵敏度SA=4.4 ~o/RIU,波长灵敏度Sλ=9.8 ~o/RIU,相移灵敏度Sφ=2691 ~o/RIU。最后,一个有趣的发现是等离子体激元诱导吸收的两个峰值（R1和R2）对入射光表现出不同的偏振特性（脱敏感型或敏感型）;这种偏振敏感对于基于PIT/PIA的光学偏振器特别重要。无疑,本文对太赫兹光子器件和传感器的研究和设计具有重要意义。3、基于图案化石墨烯和二氧化钒混合超材料的新型完美吸收器,它不仅可以实现宽带完美吸收和双通道吸收,还可以通过调节温度来控制VO2的金属相或绝缘相之间的转换。首先,在没有石墨烯的情况下分析了所提出的结构的吸收光谱,其中当VO2处于金属相时,在一个频率点（f=5.956 THz）处的吸收可以达到100%。值得注意的是,当在结构上方添加石墨烯时,100%的吸收从一个频率点（f=5.956 THz）增强到一个宽带,该宽带宽度为1.683 THz。其次,当VO2为绝缘相时,具有石墨烯超材料结构的吸收表现更好并形成了两个高吸收峰,分别在f3=5.545 THz和f4=7.684 THz时达到100%和90.7%。最后,将石墨烯的费米能级从0.8 e V调整到1.1 e V,发现吸收光谱有着明显蓝移现象,因此可以在fK1=5.782 THz和fK2=6.898 THz两个频率点实现异步光开关。此外,随着入射光的偏振角从0°移动到90°,吸收器在f3=5.545 THz时表现出偏振敏感性,在f4=7.684 THz时呈现出偏振不敏感性。因此,本文深入探讨了增加高吸收宽度的新方法,以及在多功能调制器中的巨大潜力。