金属嵌入石墨烯
石墨烯孔金属化制程的重大突破
石墨烯孔金属化制程的重大突破方景礼;陈伟元【摘要】石墨烯是一种集多功能优异特性于一身,可使各种制造业发生革命性变格的新材料.我们克服了石墨烯难以剥离、难溶于水、难以稳定地分散在水溶液中等难题,系统完成了各种柔性和刚性印制板直接用石墨烯水溶液进行孔金属化的小试、中试和工业化生产的考核,实现了用石墨烯工艺取代污染严重和成本高昂的化学镀铜工艺,使我国成为石墨烯金属化工艺应用于工业化生产的第一个国家.本文详细介绍了石墨烯的结构、性能、制造方法以及化学镀铜、直接电镀、氧化石墨烯和石墨烯孔金属化等工艺的流程、性能和优缺点.【期刊名称】《印制电路信息》【年(卷),期】2019(027)004【总页数】7页(P33-39)【关键词】石墨烯;氧化石墨烯;印制电路板;孔金属化【作者】方景礼;陈伟元【作者单位】南京大学化学系,江苏南京210093;赛姆烯金科技有限公司,广东深圳518000【正文语种】中文【中图分类】TN411 石墨烯概念1.1 石墨烯的发现石墨烯的概念早在1947年提出[1]，它本来就存在于石墨中，只是难以剥离出单层结构。
2004年英国曼彻斯特大学物理学家在实验室中，从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带,就能把石墨片一分为二。
不断重复这一操作，薄片就变得越来越薄,最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。
随后石墨烯材料的研究受到世界各国的高度关注，大都启动了相关研究计划和项目，力争把石墨烯材料技术和产业革命的主动权和先机掌控在手。
1.2 石墨烯的定义与结构在国家标准《石墨烯材料的术语、定义及代号》中对石墨烯定义如下：石墨烯是指由一个碳原子与周围三个近邻碳原子结合形成蜂窝状结构的碳原子单层；石墨烯材料则是由石墨烯作为结构单元堆垛而成的，层数少于10层，可独立存在或进一步组装而成的碳材料的统称。
单层石墨烯材料只有一个碳原子厚，即0.335 nm，1 mm厚的石墨中约有150万层左右的单层石墨烯材料。
石墨烯防腐涂料原理
石墨烯防腐涂料原理
石墨烯防腐涂料是一种新型高效的防腐材料，其原理主要是利用石墨烯的优异物理和化学性能来保护金属表面不被腐蚀。
首先，石墨烯具有极高的导热和导电性，可以快速将热量和电流传递到金属表面，形成一层高效的热和电导层，使金属表面的温度和电位保持稳定，从而降低了金属表面的化学反应速率，延缓了金属腐蚀的进程。
其次，石墨烯具有极高的机械强度和韧性，可以形成一层坚固的保护层，防止外界物质的侵蚀和磨损。
同时，石墨烯还能够有效地吸附和催化金属表面上的有害物质，如氧气、水分和酸碱等，将其转化为无害物质，从而消除了金属表面的腐蚀因素。
最后，石墨烯防腐涂料具有优异的耐久性和稳定性，可以长期保持其防腐效果，同时具有良好的适应性和可塑性，可以根据不同的金属材料和使用环境进行量身定制，以实现最佳的防腐效果。
综上所述，石墨烯防腐涂料原理基于石墨烯的优异物理和化学性能，通过形成一层高效的热、电、机械和化学保护层，防止金属表面的腐蚀和磨损，从而实现高效、可靠、耐久的防腐效果。
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氧化石墨烯与金属界面的结合力
氧化石墨烯（Graphene Oxide, GO）是一种石墨烯经过氧化处理形成的二维材料，表面含有大量的含氧官能团，如羧基、羟基、环氧基等。
这些官能团赋予了GO优异的溶解性和反应活性，使其能够与多种材料形成强烈的界面相互作用，包括金属材料。
氧化石墨烯与金属界面的结合力主要来源于以下几个方面：
1.化学键合：GO表面上的含氧官能团可以通过化学吸附的方式与金属表面的
原子形成共价键、配位键或氢键等化学键，例如，金属表面的空位、不饱和键或金属离子可以与GO上的含氧官能团发生化学反应，从而产生较高的结合力。
2.范德华力：氧化石墨烯与金属之间即使没有直接的化学键合，也会存在范德
华力，这是由于两者的极性区域引起的吸引力，尽管相较于化学键较弱，但在宏观尺度上也能显著影响界面的稳定性。
3.静电作用：由于GO表面的含氧官能团带有电荷，而金属表面可能会因氧
化、还原等原因带有相反电荷，因此两者之间存在静电吸引作用，增强了界面结合力。
4.表面浸润性：GO良好的亲水性使得其容易在金属表面铺展，进而增加接触
面积，提高了物理结合的可能性。
5.凝聚效应：在制备复合材料时，GO片层之间以及与金属粒子之间的堆积和
缠绕也会导致机械结合，进一步增强整体复合材料的界面稳定性。
总之，氧化石墨烯与金属界面的结合力是一个复杂的过程，涉及到多种力的作用，具体结合强度和方式会受许多因素的影响，如氧化程度、金属种类、制备工艺条件等。
通过调控这些参数，可以设计出具有优良性能的氧化石墨烯-金属复合材料。
石墨烯增强金属复合材料的电子应用
石墨烯增强金属复合材料的电子应用石墨烯，作为一种新型的二维材料，因其卓越的导电和导热性能，引起了广泛的研究兴趣。
近年来，人们发现将石墨烯与金属复合，可以大幅度提升复合材料的性能，尤其在电子应用领域中具有重要的潜力。
本文将探讨石墨烯增强金属复合材料在电子领域中的应用，涉及增强导电性能、提高器件性能和实现柔性电子器件三个方面。
一、增强导电性能石墨烯具有极高的电子迁移率和导电性能，而金属则具有较低的电阻率和良好的导电性能。
将二者复合后，石墨烯可以作为金属材料的导电网络，从而提供更好的导电性能。
通过控制石墨烯的含量和分散性，可以实现复合材料的导电性能的调控。
这为电子元器件和热管理领域提供了一种新的解决方案。
二、提高器件性能石墨烯增强金属复合材料在各种电子器件中都发挥了积极的作用。
以柔性显示器为例，常规的金属导电层常常出现折叠和断裂的问题，而石墨烯增强的金属复合材料可以有效地解决这一问题。
石墨烯的柔性和强度使得复合材料具备抗折叠和抗断裂的特性，从而提高了器件的稳定性和可靠性。
此外，石墨烯增强金属复合材料还可以应用于智能穿戴设备、传感器和太阳能电池等领域。
在智能穿戴设备中，复合材料的高导电性和柔性特性可以提供更好的电流传输和易于弯曲的特性，使得设备更轻薄舒适。
在传感器领域，复合材料的高导电性和高灵敏度可以提高传感器的检测性能。
在太阳能电池中，复合材料的高导电性可以增强电荷传递效率，从而提高能量转换效率。
三、实现柔性电子器件石墨烯增强金属复合材料具备优异的柔性和可塑性，使得其在柔性电子器件领域具有广阔的应用前景。
通过将复合材料应用于柔性电路板、柔性传感器和可穿戴设备等领域，可以实现更加轻薄、柔性和可弯曲的电子器件。
石墨烯增强金属复合材料的优异电子性能和柔性特性相结合，将为柔性电子器件的发展提供良好的技术支持。
综上所述，石墨烯增强金属复合材料在电子应用领域中具有重要的潜力。
通过优化石墨烯的含量和分散性，可以实现复合材料的导电性能的提升，从而在电子器件中发挥积极作用。
cvd石墨烯的制备与转移
cvd石墨烯的制备与转移CVD石墨烯的制备与转移引言：石墨烯作为一种二维材料，具有优异的电学、热学和力学性能，在电子器件、传感器、催化剂等领域具有广泛的应用前景。
其中，化学气相沉积（CVD）是一种常用的制备方法，可以在金属衬底上快速高效地合成大面积的石墨烯薄膜。
本文将重点介绍CVD石墨烯的制备过程以及转移技术。
一、CVD石墨烯的制备过程1. 基本原理CVD石墨烯的制备是通过在高温环境下使碳源气体分解生成石墨烯，并在金属衬底表面沉积形成薄膜。
常用的碳源气体有甲烷、乙烯等。
在高温条件下，碳源气体分解生成碳原子，然后在金属表面进行扩散和聚合，最终形成石墨烯结构。
2. 制备步骤（1）准备金属衬底：常用的金属衬底有镍、铜等。
首先需要对金属衬底进行表面处理，以提高石墨烯的生长质量。
（2）预处理：将金属衬底放入热处理炉中，在惰性气氛下进行退火处理，去除表面氧化物等杂质。
（3）生长条件设置：将处理后的金属衬底放入石墨炉中，加热到适当的温度。
同时，通过注入碳源气体和惰性气氛来控制反应气氛。
（4）生长时间控制：根据需要得到的石墨烯薄膜厚度，控制反应时间。
一般情况下，生长时间越长，石墨烯的厚度越大。
（5）冷却处理：将反应结束后的金属衬底冷却至室温，取出即可得到CVD生长的石墨烯。
二、CVD石墨烯的转移技术将CVD生长的石墨烯从金属衬底上转移到目标衬底上是进行后续器件制备的关键步骤。
常用的转移技术有机械剥离法、热释放法和湿法转移法。
1. 机械剥离法机械剥离法是最早被采用的一种石墨烯转移技术。
通过在石墨烯上涂覆一层粘性较弱的聚合物，然后用胶带或支撑材料将石墨烯剥离下来，再将其转移到目标衬底上。
这种方法操作简单，但对石墨烯的质量和完整性要求较高。
2. 热释放法热释放法通过在金属衬底上生长一层较厚的二硫化钼（MoS2）薄膜，然后通过加热使MoS2与金属衬底分离，从而将石墨烯转移到目标衬底上。
这种方法相对较容易实现，但需要使用高温来实现MoS2与金属衬底的分离。
石墨烯膜与金属焊接技术
石墨烯膜与金属焊接技术
石墨烯膜是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有出色的电导性、高强度和优异的热导性等特点。
金属焊接技术则是将两个或多个金属部件通过加热或施加压力使其互相结合的过程。
将石墨烯膜与金属进行焊接是一项具有挑战性的任务，因为石墨烯膜的结构和性质与传统金属材料存在明显差异。
然而，研究人员已经提出了几种方法来实现石墨烯膜与金属的有效焊接。
一种常用的方法是采用化学气相沉积（CVD）技术，在金属表面上生长石墨烯薄膜。
这种方法利用金属表面的催化性质，在高温下使碳源分解并在金属表面形成石墨烯层。
然后，可以通过热处理或其他方式将石墨烯与金属牢固地连接在一起。
另一种方法是利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，直接在金属表面上合成石墨烯。
通过在等离子体环境中将碳源分解，并使其在金属表面上沉积形成石墨烯层，可以实现石墨烯与金属的结合。
此外，还有一些研究报道了利用激光焊接或电弧焊接技术将石墨烯膜与金属进行焊接的方法。
这些方法利用高能量的激光束或电弧在石墨烯膜和金属之间产生局部加热，使其融化并形成焊接接头。
总的来说，石墨烯膜与金属焊接技术仍处于探索阶段，需要进一步的研究和优化。
然而，随着对石墨烯材料的深入了解和制备技术的不断发展，相信将会有更多的方法被开发出来，实现石墨烯膜与金属的有效焊接。
石墨烯电镀应用例子
石墨烯电镀应用例子
石墨烯电镀是一种新型的表面处理技术，能够在金属表面形成一层石墨烯薄膜，从而提高材料的性能和稳定性。
下面介绍几个石墨烯电镀的应用例子：
1. 电镀石墨烯铜箔
石墨烯铜箔是一种新型的导电材料，能够在微电子、半导体、太阳能等领域得到广泛应用。
通过石墨烯电镀技术，可以在铜箔表面形成一层薄膜，提高导电性和抗氧化性能，从而延长材料的使用寿命。
2. 石墨烯修饰电极
石墨烯修饰电极是一种新型的电化学传感器，能够检测微量的物质，如重金属、有机污染物等。
通过石墨烯电镀技术，可以在电极表面形成一层石墨烯薄膜，提高电极的灵敏度和选择性，从而实现高效、准确的检测。
3. 石墨烯涂层
石墨烯涂层是一种新型的防腐保护材料，能够在金属表面形成一层薄膜，提高材料的耐腐蚀性和耐磨性。
通过石墨烯电镀技术，可以在金属表面形成一层石墨烯薄膜，从而提高材料的稳定性和耐久性，延长使用寿命。
总之，石墨烯电镀技术是一种非常有前途的表面处理技术，能够在各种领域得到广泛应用，从而提高材料的性能和稳定性。
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氧化石墨烯与金属界面的结合力
氧化石墨烯与金属界面的结合力氧化石墨烯与金属界面的结合力一直是石墨烯材料研究领域中一个备受关注的重要问题。
随着石墨烯在各种领域中的应用逐渐增多，对其与金属界面的结合力进行深入研究变得尤为重要。
石墨烯作为一种二维材料，在与金属的界面结合处具有独特的物理和化学性质，这些性质直接影响着石墨烯与金属之间的相互作用，进而影响到石墨烯材料在实际应用中的性能表现。
石墨烯是由碳原子通过特定的方法排列而成的一层厚度只有一个原子的二维晶格结构。
这种结构使得石墨烯具有出色的导电性和热导性，同时还具有很高的机械强度和柔韧性。
这些特性使石墨烯成为一种具有广泛应用潜力的材料，在电子器件、传感器、储能材料等领域都有着重要的应用价值。
然而，在实际应用中，石墨烯与金属之间的结合力会直接影响到石墨烯材料在这些领域中的性能表现。
石墨烯与金属的结合力受到多种因素的影响，其中最主要的因素包括化学键、范德华力、氢键等。
在石墨烯与金属相互作用的过程中，化学键是影响两者结合力的主要因素之一。
金属表面通常存在着丰富的电子态密度，这些电子态能够与石墨烯中的π电子轨道形成共价键，从而增强石墨烯与金属的结合力。
此外，范德华力也是石墨烯与金属结合力的重要因素之一。
范德华力是由于电子云的涨落而导致的吸引力，虽然范德华力相对较弱，但在石墨烯与金属界面的结合中也起着一定的作用。
除了化学键和范德华力外，氢键也可能对石墨烯与金属的结合力产生影响。
氢键是一种比较弱的非共价键，通常通过氢原子与氮、氧、氟等元素形成。
在石墨烯与金属的结合过程中，如果金属表面或石墨烯表面上存在能够形成氢键的功能团，那么氢键也可能参与到两者之间的相互作用中，从而影响石墨烯与金属的结合力。
在研究氧化石墨烯与金属界面的结合力时，我们还需要考虑到金属表面的处理情况以及氧化石墨烯的结构特征。
金属表面的处理会对金属的氧化状态、表面粗糙度、晶格结构等产生影响，进而影响石墨烯与金属界面的结合力。
而氧化石墨烯作为石墨烯的一种衍生物，其结构特征也对与金属的结合力起着一定的影响。
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金嵌入石墨烯：一个可能具有高活性的催化剂Au嵌入石墨烯的催化活性是通过使用CO的氧化为基准探针并且利用第一性原理方法来研究的。
CO氧化Au嵌入石墨烯的催化的第一个最可能的步骤是继续进行朗缪尔 - 欣谢尔伍德反应(CO + O2→OOCO→ CO2 +O),其能量势垒是低至0.31ev。
氧化的第二步骤将是埃利-Rideal反应（CO+O→ CO2）其具有小得多的能量势垒（0.18ev）。
金部分填充d状态处于费米能级的周围，由于Au与相邻的碳原子之间的相互作用。
Au嵌入石墨烯的高活性可能归因于CO，O2，Au之间的电子共振，尤其，是在Au原子的d状态和CO和O2的反键2π状态。
这将打开一个新的途径来制造低成本，高活性碳系催化剂。
介绍石墨烯、单原子厚度的碳板具有独特的电子和几何特性,被认为是最有前途的下一代电子材料。
完美的石墨烯在正常环境下化学惰性是稳定的。
然而，对于过渡金属催化剂而言，纳米结构的碳材料和石墨烯是比较好的基底材料，如碳纳米管（CNT）和碳纳米纤维（CNFs）。
主要由于其高的表面积，已被广泛地研究。
近来，有报道说，金属subnanoclusters，包含仅有几个原子，在石墨烯片显示出对氧化反应不寻常的高活性。
金属簇和石墨烯之间的强相互作用被发现。
在单层石墨烯或碳原子的悬空键处的碳空位可以调节负载金属簇的电子结构。
调查了过渡金属利用密度泛函理论嵌入石墨烯,发现过渡金属原子和相邻的碳原子之间的键确定系统的磁性和电子结构。
因此，惰性石墨烯可以通过碳空位和金属簇，甚至一个单一的原子之间的相互作用转变为非常活泼的催化剂。
该金属原子的嵌入石墨烯结构最近已制造，并且金属原子在石墨烯平面中的扩散可被控制。
它开辟了新的途径来设计基于石墨烯的先进催化剂。
在本文中，我们使用CO氧化为基准探头，对金嵌入石墨烯的催化活性进行研究。
我们对金特别感兴趣，因为金是最高贵的金属而且并没有被认为是一个很好的催化剂，直到最近。
我们的计算显示，金嵌入石墨烯是一个很好的高效催化剂，并且成本低。
模型与方法使用DMol3进行密度泛函理论（DFT）的计算。
自旋不受限制的DFT与PBE的广义梯度近似用于获得所有在下一节给出的结果。
DFT半芯赝势（DSPPs）和双数值基组包括D-极化功能（DND）被选中。
在Dmol3内实施方案DSPP，进行了C和O原子的全电子计算，以及包括金的相对论效应。
含有32个原子的六边形石墨烯超胞（4×4的石墨烯晶胞）其一个碳原子被金原子取代后被引入到系统建模，接近分离杂质的限制。
使用72原子超胞（6×6的石墨烯晶胞）其计算测试基本上给出了相同的底层能量和结构。
单层石墨烯和它的镜像图像之间的最小距离大于20埃，足以避免几何优化和搜索过渡态（TS）过程中它们之间的相互作用。
布里渊区的整合是用3×3×1k点采样进行的。
对于电子性质的计算，包网格6×6×1k点取样，使用与现实空间的全球轨道截止半径设定为6埃。
使用NEB方法计算基本反应步骤中最小能量途径。
结果与讨论每一种催化剂因其独特的电子和几何性质，能够提高化学反应的活性。
图1所示为Au嵌入石墨烯的电子和几何结构。
其中Au原子和每个相邻的碳原子之间的键长为2.09埃，金原子高于石墨烯表面的高度是1.85埃,与以往基于平面波基础上的计算具有良好的一致性。
自旋密度主要积聚在Au原子与三个相邻的碳原子数上（如图1b和1c）。
分离出的金原子有一个充满d层和半满的6S轨道。
当金替换石墨烯的碳原子时，顶部自旋向下分量的5d轨道和6s轨道变成空的，这是由于C-Au键和金原子与碳原子的电荷转移所形成的，如图1a。
对于Au来说顶部自旋向上分量的5d轨道和相邻的碳原子的2p轨道被部分填充并且可以控制系统的磁矩。
其结论是，自旋极化状态的高密度是围绕费米能级。
这些局部D 态是很重要的激活反应物，用以降低该反应的势能，这将在稍后讨论。
不像金粒子支撑在一个适当的氧化物膜上，这是由于来自基片上的金簇/氧化物界面中过量的电子电荷的活动，其中，主要活动的是金原子，该金原子在该系统中带正电。
此外，Au-嵌入石墨烯系统是具有更大表面积的单层催化剂，确保了其催化效率。
之前调查CO氧化反应，我们首先研究O2，CO，CO2，和O在Au嵌入石墨烯上的吸附性能。
我们为了找出每个被吸附物的最稳定位置需要检查许多吸附位点。
结果发现，在石墨烯平面CO和O2分子的吸附，它们与金嵌入石墨烯能产生强烈的相互作用（Ead（CO）=-1.53eV和Ead（O2）=-1.34ev，见表1）在室温下，两者可容易地吸附到被嵌入的金原子上。
CO和O2与金原子距离约2.0埃。
C-O键长度几乎相同，吸附后CO分子分离，而吸附的O2分子的OO 键伸长约0.16埃这是由于嵌入的Au原子的电子经过电荷转移（约0.52e）到O2的2π*轨道。
然而，从高能点可以看出，在Au嵌入石墨烯上CO分子比氧分子吸附能更高（见表1）。
CO和O2分子的在同一个嵌入式的Au原子的共吸附也是放热过程Ead（CO + O2））=-1.82ev，比Ead（CO）和Ead（O2）大。
对于CO2分子，我们研究了各种可能的吸附位，发现最稳定的吸附位点位于在Au原子上，Ead（CO2））= - 0.13ev，这表明CO2分子被弱吸附在Au嵌入石墨烯上，并且在室温下，可以容易地解吸从反应位点。
正如预期的那样，O原子强烈结合嵌入的金原子，Ead（O）= - 4.80ev，与先前的研究相一致。
我们研究Au嵌入石墨烯上CO的氧化催化应用ER和LH这两个机制。
对于ER机制，其中的气相CO分子直接与活化的O2反应，吸附原子O，氧分子的活化反应是限速步骤，对于LH机制，共吸附CO和O2分子反应形成的过氧型复合中间产物，这也是限速步骤。
首先，我们探索对ER机制CO与O2分子氧化为起点，并发现该反应势能超过0.5ev（见附录），比LH机构（图2）大得多。
此外，在Au嵌入石墨烯中单个CO分子的吸附能比O2（表1）分子大。
因此，在O2、CO氧化在Au-嵌入石墨烯中LH机制是更有利的机制在能量方面，。
基于这些原因的基础上，我们认为LH反应CO + O2---OOCO---CO2+ O 为起点，随后用ER反应CO +O---CO2.对于CO氧化要搜索的MEP，我们选择了最稳定的共吸附的配置作为初始状态（IS），其中该吸附的CO分子倾斜到石墨烯平面内，而氧分子平行于石墨烯平面（图3）。
最终状态（FS）是由附近的O原子的化学吸附与在石墨烯中二氧化碳分子的物理吸附所构成。
为了达到足够的精度在MEP计算上，30个图像结构插入的IS和FS之间。
该MEP结构总结于图2。
用参考能量绘制能量示意图,这是在Au嵌入石墨烯和单个CO和O2分子的能量的总和，且CO和O2相距很远。
在Au嵌入石墨烯的吸附物的局部结构的每个状态通过MEP显示在图3中，相应的结构参数列于表2a中.一旦CO和O2被共吸附在Au嵌入石墨烯上，氧原子（01）中的氧分子开）的O—O键长度伸长到1.45埃，而始接近CO的碳原子到达TS。
O2（d O1-O2在这个吸热过程Au原子和CO的碳原子之间的距离减小约0.1埃。
沿反应途径的能量势垒估计为0.31ev。
同时，一过氧型O2-O1-CO复合形成在金原子。
越过该TS，过氧型的复合物仍然保持不变，直到一个亚稳结构（MS）达到和O2-O1-CO复合物中的OO键长度（d O1-O2）从1.45拉长到1.50埃。
越过该MS 没有能量势垒，一个CO2分子形成，留下一个O原子吸附在金原子嵌入石墨烯中。
二氧化碳分子可以容易地解吸在室温下由于CO2和在Au嵌入石墨烯之间的弱相互作用。
我们也检查了二氧化碳通过LH机制形成之后CO氧化用原子O（ER机构）是否可以得到。
CO分子与预吸附在嵌入的Au原子上的O原子相距超过3.0埃的结构被选作IS（如图4）该FS结构被简单地说就是二氧化碳吸附在金嵌入石墨烯上。
CO的碳原子接近吸附的氧原子并将其推离金原子到达）的TS。
碳原子与金原子之间的距离被减少到2.36埃，并且O2- 金键长（d O2-Au 约0.05埃在这个吸热过程中被拉长。
人们发现，一个小的能量势垒（0.18电子伏特），大约一半的LH机制对于CO + O2反应，分离沿该MEP的IS和FS。
需要注意的是在金嵌入石墨烯上二氧化碳的的吸附能量仅为-0.13ev，在室温下它也很容易从位点解吸。
在上述讨论的基础上，我们的结论是在Au-嵌入石墨烯中CO氧化可以被表征为一个两步过程：与LH反应启动CO氧化随后进行ER 反应。
接下来，我们调查在这些反应中的电子结构，以更深入地了解了金嵌入石墨烯系统的高活性的来源。
如我们上面讨论的，Au原子部分被占据的d轨道被定位围绕在费米能级是由于石墨烯和Au原子之间的相互作用。
这些状态的活动非常关键。
图5所示自旋极化局部密度（LDOS）预测到CO（图5中左面板）和O1-O2（右图图5）键，以及在TS和MS的LH步骤中，IS的Au原子中的d局域态密度，分别（见图3的几何结构）。
Au原子s和p和碳原子的p预测的局域态密度在反应进行中无显著变化。
在Au原子的最高d轨道中，在CO和O2的共吸附之前被部分地占用。
在CO和O2共吸附上，d轨道向上移动，并在IS配置变成完全空，这是由于Au和吸附物之间的电荷转移。
气体O2的反键轨道2π*是半满状态。
用CO在Au原子上共吸附后，最初空的自旋向上分量发生部分被占用的变化，引起了在O2中O1-O2键的伸长（见表2a）。
由于Au原子中的d轨道的相互作用，1π和5σ轨道也变宽。
在TS中1π和2π*轨道被扩大并且Au原子中参与的d轨道削弱了O1-O2键。
从TS到MS，被占据的反键轨道2π*升高并高于费米能级，这是由于O1和在Au原子上的CO分子的相互作用产生的，由C-O1键长度的减小，减小到比O1-O2键长更短（表2a）。
正如预期的，反键4σ*状态是不参与该反应，由于其远低于费米能级的位置。
对于Au嵌入石墨烯中的C—O，最高占用5σ轨道，位于气体CO分子的费米能级上，在IS中将偏移至远远低于费米能级并且与Au的d轨道发生强烈杂化。
在IS中气相二氧化碳的空反键轨道2π*也拉到接近费米能级，在TS和MS中，由于C—O反键2π*状态和Au原子的d状态之间的电子共振，它被部分填充。
这个反键被部分占据且导致C—O键长度略有增加，并最终降低了C—O键长使其接近分离出的二氧化碳分子中dc-o的值（表2a）。
在金原子的吸附反应的过程中发生了净电荷转移，在金原子上并没有自旋极化的积累，这是由于金原子空缺的向上d轨道。
由于石墨烯中金原子和相邻的碳原子之间的杂交，相邻的碳原子构成的p 状态也升高至超过费米能级，并且无自旋极化。