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《吉林大学》 2011年
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纳米管反应机理和石墨烯分子设计的理论研究

肖波  
【摘要】:自从碳纳米管(carbon nanotube, CNT)被发现以来,这种具有准一维管状结构的纳米材料就已经引起了人们广泛的兴趣。其主要原因是碳纳米管具有独特的结构和奇特的性质。这就使得它在纳米电子器件、储能、气体传感、场发射与平板显示等众多领域有着广泛的应用。迄今为止,人们已经成功合成了很多纳米管材料,比如硼氮纳米管、硅碳纳米管、二氧化钛纳米管等。与此同时,石墨烯这种平面并且只有单个原子厚度的二维材料的发现也揭开了纳米材料的新篇章,有用其独特的结构和化学性质,人们对它的应用前景寄予了比纳米管更大的期望。所以研究这些一维和二维材料的微观结构、性能和反应机理对于探讨其形成机理,开发其应用潜力具有十分重要的意义。 与此同时,近年来计算化学无论在硬件上还是软件上都得到非常迅速的发展,尤其是基于密度泛函理论的第一性原理方法在量子化学和材料科学中得到非常广泛的应用。在本论文中,我们利用密度泛函理论评估了碳纳米管和硅碳纳米管的功能化和反应机理等方面的应用。除此之外,我们还通过用原子对石墨烯的边缘进行修饰,最终得到了两类平面四配位碳结构。本文得到的结果如下: 一、碳纳米管具有一维的管状结构,前面的研究已经证明碳纳米管内的空间可以用来填充一些分子,进而改变碳纳米管的电子性质。与此同时,碳纳米管的管内空间也为一些化学反应提供了有力的场所,并且可以不同程度地影响反应物的构型和整个反应的活化能垒。但是目前为止,人们对于管内化学的研究还都局限于一维的化学反应,而且证明碳纳米管对这类化学反应确实有较为明显的影响。我们的工作就是想研究碳纳米管的空腔结构对二维化学反应的影响如何。我们这里选择了P-Ylide反应作为研究对象,观察了它在气相和碳纳米管内的反应能垒变化。最后结果证明碳纳米管的空腔结构对这种二维的P-Ylide反应的影响并不是很大。而且我们通过对比P-Ylide反应在碳纳米管和苯溶液这两种不同环境中的反应能垒,也进一步证明了碳纳米管可以当成为一种“固体溶剂”。 二、化学蒸汽沉积(CVD)方法是目前为止合成碳纳米管的一个最为常见的方法,这种方法在合成碳纳米管的过程中需要三个必要的因素:碳的前驱体、金属和金属催化剂。现在人们对于碳纳米管的生长机理依然还存在分歧,但是我们注意到,无论是哪种生长机理,在碳纳米管的合成过程中,碳的前驱体一直都是笼罩在碳纳米管的周围的。传统的观点都认为,碳纳米管的合成是一个生长和缺陷修复同时进行的过程,并且认为修复缺陷的是解离之后的碳的前驱体。我们提出的问题就是:解离之前的碳的前驱体是否也对缺陷起到修复的作用呢?基于这样一个问题,我们研究了一氧化碳分子对于单缺陷碳纳米管的修复。最后我们的结果证明这个修复过程在碳纳米管的合成过程中是非常可能发生的。 三、二氯化碳已经广泛的用来修饰碳纳米管和硼氮纳米管的电子性质,它们之间的作用都是简单的一步吸附。最近的研究证明硅碳纳米管的化学性质要比碳纳米管和硼氮纳米管都高,所以当二氯化碳分子吸附到硅碳纳米管表面的时候,它们之间可能会发生较为复杂的化学过程。而我们的研究也证明二氯化碳分子并不是通过简单一步吸附到硅碳纳米管上,而是经过了一些系列的原子转移和键劈裂的过程。并且吸附之后硅碳纳米管的导电性质也得到了很大的提高,多个二氯化碳的吸附可以使硅碳纳米管由原来的半导体变为p型的半导体。 四、除了碳纳米管之外,硅碳纳米管也已经在2001年合成出来。并且研究证明它具有比碳纳米管更加活泼的化学性质。前面的研究也讨论了很多关于硅碳纳米管和外来分子的相互作用,最终改变管的电子性质。我们特别注意到Kang等人在前不久研究了单个二氧化氮分子和硅碳纳米管的相互作用。但是在实际情况中很难控制单个分子和管的相互作用,所以进一步的研究多个二氧化氮分子和硅碳纳米管的相互作用是非常必要的。因此,我们随后研究了多个二氧化氮分子吸附到硅碳纳米管表明的行为。并且结果证明二氧化氮分子倾向于成对的吸附到硅碳纳米管上,多个二氧化氮的吸附可以较为明显的增大硅碳纳米管的到点性质。 五、石墨烯的发现引起了人们广泛的关注,并且研究证明这种平面的并且只有一个原子厚度的纳米材料可以应用到很多的领域。此外,我们在之前的研究中曾经设计了很多平面四配位碳的结构,但这些设计都仅限于几个原子的大小,这对实验的合成有很大的难度。我们注意到石墨烯在设计平面四配位碳上有很大的优势,主要是因为石墨烯的所有碳原子都是在一个平面内,如果我们可以通过外来原子进行修饰的话,那么很可能用过石墨烯来设计平面四配位碳的结构。经过很多个不同原子的修饰,最后我们发现铍和硼原子修饰的椅式石墨烯纳米带的边缘可以形成平面四配位碳结构。并且我们也证明了这两种结构在热力学和动力学上的稳定性。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB383.1

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