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异型碳纳米管和富勒烯吸附性能及其生长机理的计算模拟研究

吴红丽  
【摘要】:纳米科技是21世纪技术革命的前沿领域。其中,以富勒烯和碳纳米管为代表的纳米碳材料倍受科研工作者的关注。纳米碳材料的吸附性能尤其是储氢性能的研究及其生长机制的研究是其中两大异常活跃的领域。从理论上揭示碳纳米管和富勒烯的吸附性能以及碳纳米管生长机制是倍受人们关注的重要课题。 迄今为止,有关碳纳米管之吸附性能的研究主要局限于直线型碳纳米管。已有的研究结果表明,碳纳米管是一种优良的气体吸附材料,其吸附性能在很大程度上依赖于碳纳米管的形貌和结构。本文采用分子力学(MM)和分子动力学(MD)方法,对几种不同形态的碳纳米管,即三种理想的单壁Y型碳纳米管和三种理想的单壁L型碳纳米管对小分子(H_2,O_2,NH_3,H_2O,CH_4)的吸附性能进行了计算模拟研究,并与相应的直线型碳纳米管之吸附性能进行了对比,系统地考察了碳纳米管的形态、直径、螺旋性、结构缺陷以及吸附温度等因素对吸附过程的影响,并对吸附机理进行了探讨。模拟研究结果表明:(1) 氢分子在端口开放的异型碳纳米管上通过自然的物理吸附得到的储氢量相当有限,即使在低温时也无法达到美国能源部(DOE)的储氢标准;(2) 端口封闭的异型碳纳米管之储氢量高于相应直线型碳纳米管的储氢量,且Y型碳纳米管的储氢量略高于L型碳纳米管的储氢量;在本论文研究范围之内,对于任何一种给定的异型碳纳米管,降低温度和增大碳纳米管的直径均有助于提高异型碳纳米管的储氢量;且椅式异型碳纳米管之储氢性能略优于齿式异型碳纳米管的储氢性能;(3) 异型碳纳米管对NH_3分子和H_2O分子的吸附明显优于对CH_4、O_2和H_2分子的吸附;在吸附H_2O、NH_3和O_2分子后,碳管和小分子之间的电荷转移较大;(4) 碳纳米管或者其吸附体系的前线轨道主要来自于七元环及其附近碳原子的贡献,说明Y型碳纳米管上七元环及其周围碳原子可能成为化学修饰和化学反应的活性位点,与本论文中有关Y型碳纳米管化学加氢的计算结果相吻合;(5) 在吸附小分子后,异型碳纳米管最高占有轨道(HOMO)与最低未占轨道(LUMO)之间的能差明显减小,这一趋势对于椅式异型碳纳米管而言更为明显。 采用从头算方法在HF/6-31G水平上比较了氢分子进入几种富勒烯及其氧化物(C_(60),C_(60)O,C_(60)O_2,C_(70))笼内的难易程度,考察了富勒烯碳笼的大小、碳笼上的氧原子以及氢分子进入碳笼的路径对这一过程的影响。计算结果表明:(1) 对于C_(60)和C_(60)O,由于五元环弯曲程度高于六元环,氢分子垂直五元环进入笼内的能垒小于垂直六元环进入笼内的相应能垒,即氢分子容易沿着垂直于富勒烯上的五元环进入笼内;而对于C_(60)O_2,由于两个氧原子的存在,得到的计算结果与C_(60)和C_(60)O相反;(2) 对于C_(70),氢分子垂直于端部五元环进入笼内的能垒与垂直于端部六元环进入笼内的能垒相接近,但氢分子垂直于赤道六元环进入笼内的能垒明显升高;(3) 氢分子进入较大碳笼C_(70)的能垒小于进入富勒烯C_(60)内的能垒,说明大的富勒烯碳笼有利于氢分子在笼内的存储。


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