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碳纳米管储氢的计算机模拟研究

闫红  
【摘要】: 本文首先对碳纳米管的结构特点及应用、碳纳米管储氢研究的进展进行了概述。在此基础上,利用巨正则系综蒙特卡罗方法对多种情况下的碳纳米管储氢过程进行了模拟,得到了一些很有意义的结果,并对今后工作提出了具体设想。 一、结合碳纳米管的制备,从理论上给出了碳纳米管的几种类型,即锯齿管、扶手椅管、手性管,介绍了多壁管和纳米管阵列的结构情况,讲述了碳纳米管的应用。 二、从实验和理论两个角度对碳纳米管储氢的研究进展做了叙述,在给出各类实验装置基础上,对碳纳米管储氢实验数据做了总结。对碳纳米管储氢机理、理论计算和储氢方面达成的基本共识做了概括。 三、利用巨正则系综蒙特卡罗方法模拟了碳纳米管储氢过程,得到了若干新的结论。首先分析了具体的算法和纳米管中粒子间作用的势能模型。在碳纳米管储氢研究中,首次引入氢分子数密度的概念。通过海量计算,给出各种手性的单壁碳纳米管的储氢结果。研究了管长、管径对储氢性能的影响,得出如下的结论:在管径D=4.0nm至5.0nm间,管内氢分子平均数密度取最大值;当管子直径固定后,储氢量随管长增加而线性增加。给出了平衡态下氢分子沿轴向、径向分布的理论解释。其次讨论了化学势和温度对储氢性能的影响。然后对多壁碳纳米管储氢进行计算机模拟,并与单壁纳米管储氢结果做了比较,结论是单壁碳纳米管储氢的效果优于多壁管。最后简单介绍了结构与表面特性对储氢性能的影响。 四、提出下一步工作的设想。 总之,碳纳米管作为一种高效的储氢材料具有十分重要的应用价值。同时尚有很多理论与技术方面的问题有待于深入研究。其中采用计算机随机模拟手段无疑是至关重要的。


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