收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

密度泛函理论研究双钛取代掺杂单壁碳纳米管的结构,性质及其储氢性能

于丽丽  
【摘要】:纳米材料尤其是碳纳米管材料,是当前国际上活跃的研究领域之一。虽然碳纳米管的发现到现在只有不到20年的时间,但是关于纳米管研究的步伐却越来越快,成果也非常显著,实验上的进展是日新月异。碳纳米管具有奇特的力学、电学和化学等性能。碳纳米管是吸附储氢材料中最好的吸附剂之一,它对少数的气体杂质不敏感,并且可重复使用。本文基于密度泛函理论方法,利用Gaussian 03和Gaussian 09软件系统的研究了(7, 7)型单壁碳纳米管中的一个或两个碳原子被两个钛原子取代后的各种取代结构、电子性质、以及相应的储氢能力进行系统的研究。 本文的研究内容主要包括以下几个方面: 1.我们用双Ti取代掺杂单壁碳纳米管获得十四种结构,同时选取两种单Ti取代掺杂单壁碳纳米管的结构作为对比研究。利用Gaussian03程序进行理论计算。结果显示①经过结构和稳定性分析,我们可知一个碳双体被一个钛双体取代掺杂是最可行的,其中以一个钛双体取代掺杂的结构XIV稳定后结构发生了很大变化,两个钛原子分离,一个取代掺杂在纳米管上,一个吸附掺杂在纳米管上。双钛取代掺杂单壁碳纳米管结构的稳定性与两个钛原子的相对位置有关,距离越短结构越稳定,其中最稳定的结构是IX。②通过电子结构和活性分析,可知两个钛原子相对取代掺杂位置对母体的电子结构有很大影响,为金属取代掺杂单壁碳纳米管引入不同的性质和化学活性。掺杂的钛原子主要贡献于所有结构的最高占据轨道和最低空轨道。自旋极化发生在钛原子附近,两个钛原子距离越近,相应的自旋越大。自旋净电荷主要集中于金属中心。根据取代掺杂前后HOMO-LUMO能量差的变化我们可以知道钛原子的掺杂影响了母体结构的导电性。 2.我们选取其中典型的八种双钛取代掺杂单壁碳纳米管结构和一种单钛取代掺杂单壁碳纳米管结构,利用Gaussian09程序进行吸氢研究。研究结果显示:①通过单个氢分子的吸附研究,可知VI和VIII吸附的氢分子发生了化学解离,两个氢原子分别与两个钛原子化学成键。两个氢原子都带负电荷,与母体结构间存在电荷迁移现象。其他结构都是以氢分子的形式稳定吸附在钛原子附近。钛的取代掺杂位置不同对氢分子吸附行为的影响也不同。通过HOMO-LUMO能隙差分析我们发现,氢分子的引入对各种不同结构产生的影响有很大不同。通过吸附能分析,可知首个氢分子的吸附过程V是吸热的,其余皆为放热过程。VI和VIII的吸附能最大。II和VII的吸附能恰好在理想储氢材料的吸附能范围内。②进行多个氢分子连续吸附的研究。结果显示:在所有的取代物中,第I种结构稳定吸附氢分子数最多,可以稳定吸附六个氢分子。结构VIII可以稳定吸附五个氢分子,其中取代掺杂的钛原子只能吸附一个氢分子,而吸附掺杂的钛原子则可以吸附到四个氢分子。结构VII虽然只可以稳定吸附四个氢分子,但是由于钛双体采取插入方式取代掺杂进单壁碳纳米管,其中一个钛原子处于管内,这样使得氢分子即使不能稳定吸附在钛原子附近,也不易逃离管内,非常有利于提高纳米管的储氢量。结构I中两个钛原子距离较远,相互作用较弱,其吸氢情况和单钛取代掺杂结构IX中钛原子的吸氢情况很相似,我们可以把I中两个钛原子的吸氢情况看作是单钛的吸附。通过电荷分析可知,所吸附氢分子中两个氢原子的电荷数有很大不同,有的皆为负,有的皆为正,有的一正一负,且后续氢分子的吸附对之前的氢分子电荷产生了一定的影响。以孤立形式存在的氢分子中两个氢原子的电荷分别为正负0.01,总电荷为0,为单纯的物理吸附,该吸附对之前的氢分子几乎无影响。结合前线分子轨道图和分子轨道系数分析,物理吸附和化学吸附共同作用下吸附的氢分子,其氢分子与母体间都或多或少的存在轨道重叠;而单纯物理吸附的氢分子,其氢分子与母体间不存在轨道重叠。通过平均吸附能分析可知,II、VII和VIII的平均吸附能在理想的储氢材料吸氢范围内,满足了储氢材料的要求。 通过本文的研究分析,我们可以了解到双钛取代掺杂单壁碳纳米管的结构中,两个钛原子的相对位置起了决定作用。当两个钛原子选取适当的取代掺杂位置,可以获得非常理想的储氢量,为这种储氢材料的进一步实验研究提供了很好的理论依据。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 ;碳纳米管—Raman会提供什么信息?[J];现代科学仪器;2005年05期
2 ;化学所与索尼公司合作实现单壁碳纳米管选择性分离/富集[J];人工晶体学报;2009年02期
3 戴闻;单壁碳纳米管中的电子波函数[J];物理;2002年04期
4 孟洁,宋礼,孔桦,王朝英,郭小天,许海燕,解思深;单壁碳纳米管无纺膜的抗凝血性能研究及其对血液系统中植入性假体的意义[J];新型炭材料;2004年03期
5 何为凡;徐学诚;陈奕卫;成荣明;;多壁碳纳米管和过氧化苯甲酰化学反应的红外表征[J];华东师范大学学报(自然科学版);2006年03期
6 尹彩彬;;纳米之光将照亮新世纪(Ⅱ)[J];化学推进剂与高分子材料;2000年04期
7 王玉芳,张振生,刘浩然,徐晓轩,潘桂玲,郭俊怀,刘友婴,韩玄优,蓝国祥;催化剂比例对单壁碳纳米管制备的影响[J];光散射学报;2001年02期
8 李峰;甲基修饰单壁碳纳米管的几何结构、束缚能和电子结构[J];泰山学院学报;2004年03期
9 王玉芳,刘浩然,徐晓轩,邵悦,曹学伟,扈士芬,刘友婴,蓝国祥;以Y/Ni为催化剂制备的单壁碳纳米管的拉曼光谱研究[J];光谱学与光谱分析;2002年04期
10 ;单壁碳纳米管生长研究取得进展[J];炭素技术;2011年02期
11 王玉芳,曹学伟,蓝国祥;单壁碳纳米管制备的最新进展[J];功能材料;2000年S1期
12 黄文胜,桑秋章,杨春海,张升晖;单壁碳纳米管化学修饰电极的制备及其测定鸟嘌呤的研究[J];湖北民族学院学报(自然科学版);2004年02期
13 ;已商业化生产的碳纳米管[J];玻璃钢;2004年03期
14 ;物理所发现硼、氮共掺杂使金属性碳纳米管转变为半导体[J];硅酸盐通报;2008年06期
15 Mary;;北京大学“单壁碳纳米管可控生长研究”取得突破[J];今日电子;2011年04期
16 韦进全,慈立杰,魏秉庆,徐才录,梁吉,吴德海;用浮动催化裂解法制取单壁碳纳米管[J];清华大学学报(自然科学版);2001年08期
17 王宇,王秀喜,倪向贵,成琴;单壁碳纳米管拉伸变形的原子尺度模拟[J];化学物理学报;2005年02期
18 张巧玲;;中美科学家合成最小碳纳米管结构富勒烯C90[J];现代物理知识;2010年01期
19 ;单链DNA易位可激发碳纳米管出现强电流[J];纳米科技;2010年01期
20 张浩,张兆祥,赵兴钰,侯士敏,施祖进,顾镇南,刘惟敏,薛增泉;单壁碳纳米管和W针尖热处理时残气质谱[J];真空电子技术;2001年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王红霞;竹有章;马进;田涛;;单壁碳纳米管的电子结构分析[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第5分册)[C];2010年
2 于金刚;黄笃树;黄可龙;洪涌;;可溶性壳聚糖修饰单壁碳纳米管的制备(英文)[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第7分册)[C];2010年
3 董平轩;万斌;郭良宏;;单壁碳纳米管对小鼠原代巨噬细胞功能的影响研究[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
4 邹明英;陈景文;;单壁碳纳米管吸附水中苯分子的计算模拟[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
5 刘宇;王金泳;李彦;;单壁碳纳米管与单晶石英基底相互作用的拉曼光谱研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
6 杨娟;张达奇;李彦;;离子液体中单壁碳纳米管的光谱研究[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
7 檀付瑞;桂慧;张静;李红波;李清文;;基于凝胶色谱柱的单壁碳纳米管分离[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
8 李育林;邓兆祥;;单壁碳纳米管的核酸功能化研究[A];中国化学会第十三届胶体与界面化学会议论文摘要集[C];2011年
9 张彩虹;周强;张端;徐晶晶;王培杰;;单壁碳纳米管中间振动模的研究[A];第十五届全国光散射学术会议论文摘要集[C];2009年
10 王晓婧;汪超;程亮;李述汤;刘庄;;贵金属修饰的单壁碳纳米管在表面增强拉曼成像及光热治疗的应用[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 马杰;大直径单壁碳纳米管制备、纯化及其应用研究[D];上海交通大学;2009年
2 张远馥;单壁碳纳米管在光学生物传感中的应用[D];陕西师范大学;2011年
3 陈勇;羧基化单壁碳纳米管对端粒酶及端粒的生物医学效应[D];吉林大学;2012年
4 吴慕鸿;一维轻元素(硼/碳/氮)纳米材料的制备和物性研究[D];哈尔滨工业大学;2013年
5 郑富中;基于悬空单壁碳纳米管阵列的压阻式柔性传感器研究[D];重庆大学;2011年
6 高平奇;单壁碳纳米管拉曼光谱及电输运性质研究[D];兰州大学;2010年
7 赵元春;碳/碳氮一维纳米材料的制备、物性以及相关器件的研究[D];中国科学院研究生院(国家纳米科学中心);2008年
8 林宏立;单壁碳纳米管在水中农药残留分析前处理中的应用研究[D];福建农林大学;2014年
9 周炜;超支化聚合物改性碳纳米管及其纳米复合材料研究[D];中国科学技术大学;2008年
10 罗巍;微尺度碳/无机复合材料及氮化物的制备、结构和性能[D];中国科学技术大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 于丽丽;密度泛函理论研究双钛取代掺杂单壁碳纳米管的结构,性质及其储氢性能[D];吉林大学;2011年
2 董强;煤基单壁碳纳米管的纯化及应用[D];大连理工大学;2010年
3 孙平平;单壁碳纳米管致PC12细胞毒性研究[D];大连理工大学;2010年
4 李玲;单壁碳纳米管的改性及其在生物医药领域的初步应用研究[D];上海交通大学;2010年
5 陈林涛;单壁碳纳米管的拉曼光谱及SERRS光谱研究[D];河南大学;2004年
6 王森;碳纳米管增强铜基复合材料的制备与研究[D];兰州大学;2009年
7 陆地;单壁碳纳米管电子性质的研究[D];湘潭大学;2003年
8 林高锋;单壁碳纳米管的毒性、功能化改性及靶向送药的研究[D];上海交通大学;2011年
9 周解平;单壁碳纳米管吸附芳香簇氨基酸机理的同步辐射研究[D];中国科学技术大学;2011年
10 李弘波;多壁和单壁碳纳米管储氢性能的研究[D];浙江大学;2003年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 记者  杜华斌;加开发单壁碳纳米管生产新工艺[N];科技日报;2006年
2 程曦;“妙手”连通纳米材料与宏观世界[N];新清华;2007年
3 冯卫东;科学家发现碳纳米管薄膜新特性[N];科技日报;2008年
4 本报记者 聂翠蓉;碳纳米管将要进入人体[N];科技日报;2006年
5 为新;抢占纳米电子制高点[N];中国计算机报;2000年
6 冯卫东;日开发出碳纳米管联接新工艺[N];科技日报;2008年
7 本报记者 唐景莉 通讯员 姚骏;纳米时代的开拓者[N];中国教育报;2000年
8 罗刚;神奇的纳米材料安全吗[N];健康报;2005年
9 宋玉春;碳纳米管走近商业化应用[N];中国化工报;2004年
10 ;相关上市公司分析[N];证券时报;2000年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978