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碳纳米管储氢性能的第一原理研究

作　者: 王雅雯
导　师: 尹衍升
学　校: 中国海洋大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 碳纳米管吸附稳定位掺杂原子电子结构态密度
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 179次
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内容摘要

碳纳米管(CNTs)是由石墨卷曲形成的直径在纳米尺度的空心圆柱体,由于CNTs自身具备独特的性能而被应用于场发射材料、电子器件、储氢媒体和分子载体等领域,其中最具潜力的应用是用作储氢(H)材料和储存锂(Li)的载体。发展高能密度化学电源是解决未来交通、环境和资源等一系列重大问题的关键技术,而能量密度最高的体系几乎都是采用H和Li为能源材料。从目前的发展状况来看,现有的储H和储Li材料均存在着实际比能量偏低的缺陷,尚不能满足相关技术应用的需求。CNTs作为储氢和储锂材料可以有效提高比能量,受到研究者的重视。科学计算是继理论科学和实验科学之后,人类认识与征服自然的第三种科学方法。计算机模拟技术在材料科学与工程中扮演着越来越重要的角色,相当数量的计算机模拟方法已经应用于储能材料的研究领域。计算采用基于第一原理的Material Studio中的CASTEP软件,CASTEP软件计算方法建立在密度泛函理论的基础上,包括了广义梯度近似和局域密度近似,本论文采用了广义梯度近似下的Perdewm, Burke和Ernzerhof交换关联泛函方法。论文通过密度泛函理论首先研究了单个H原子和两个H原子在CNTs表面的吸附。计算结果表明,单个H原子以化学吸附的形式稳定的存在于CNTs的表面,其费米能级处引入了杂质态,是吸附的H原子与产生变形缺陷处的C原子共同作用的结果；两个H原子在CNTs表面的吸附共分为三种不同的构型,最稳定的构型是两个H原子吸附在两个相邻的C原子上,这种构型其费米能级处无杂质态。理论分析发现吸附H原子时引起的CNTs不对称变形更易产生杂质态。论文分析了硅(Si)原子和硼(B)原子掺杂CNTs的性能,以及掺杂后的单壁碳纳米管吸附Li原子的几种可能的几何结构。单个Si原子和B原子分别掺杂单壁碳纳米管对CNTs的态密度影响轻微,但是降低了掺杂原子周围区域的电子密度,使电子分散到与之相连的C原子上。计算发现Li原子在掺杂CNTs上的吸附增强。电子结构分析表明掺杂原子周围形成一个低电子密度区域,形成缺电子体系有利于Li原子的吸附；即Si和B两种掺杂原子都能转移来自Li原子的电子,形成一个以自身为中心对Li原子的高活性吸附区域。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
1 文献综述  11-25
  1.1 碳纳米管的研究进展及应用  11-18
    1.1.1 碳纳米管的发现、结构和性能  11-13
    1.1.2 碳纳米管的应用  13-15
    1.1.3 碳纳米管的改性  15-18
  1.2 储氢研究进展  18-22
    1.2.1 储氢材料的种类  19-22
  1.3 本论文的选题意义及其研究内容  22-25
2 理论基础和计算方法  25-43
  2.1 碳纳米管的理论计算  25-36
    2.1.1 计算方法简介  25-26
    2.1.2 第一原理密度泛函理论  26-33
    2.1.3 交换关联近似  33-34
    2.1.4 密度泛函理论数值计算方法  34-36
  2.2 计算软件  36-42
    2.2.1 常用第一原理软件包  36-38
    2.2.2 CASTEP  38-42
  2.3 计算结果数据分析  42-43
3 碳纳米单管的计算  43-51
  3.1 模型的建立和计算方法  43-44
    3.1.1 模型建立  43
    3.1.2 计算方法  43-44
  3.2 结果数据分析  44-49
    3.2.1 能带分析  45-47
    3.2.2 态密度分析  47-49
  3.3 结论  49-51
4 氢原子在单壁碳纳米管表面的吸附  51-62
  4.1 单个氢原子在单壁碳纳米管上的吸附  51-56
    4.1.1 模型的建立和计算方法  51-52
    4.1.2 结果数据分析  52-55
    4.1.3 小结  55-56
  4.2 两个氢原子在单壁碳纳米管上的吸附  56-61
    4.2.1 模型的建立和计算方法  56-58
    4.2.2 结果数据分析  58-61
    4.2.3 小结  61
  4.3 结论  61-62
5 硼、硅掺杂碳纳米管  62-66
  5.1 模型的建立和计算方法  62-63
    5.1.1 模型建立与优化  62-63
    5.1.2 计算方法  63
  5.2 结果数据分析  63-65
  5.3 结论  65-66
6 锂在硼、硅掺杂碳纳米管上的吸附  66-73
  6.1 模型的建立和计算方法  66-67
    6.1.1 模型建立与优化  66-67
    6.1.2 计算方法  67
  6.2 结果数据分析  67-71
  6.3 结论  71-73
7 结果与讨论  73-75
参考文献  75-80
致谢  80-81
个人简历  81
发表的学术论文  81

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