论文摘要
独特的结构及优异的物理化学性质使碳纳米管、富勒烯在众多领域具有广泛的潜在应用,成为纳米材料科学研究的热点课题之一。碳纳米管、富勒烯的类石墨结构具有极高的化学稳定性和不溶性,这极大地限制了它们作为化学反应载体、复合材料组分的可操作性。如何对碳纳米管、富勒烯进行有效的功能修饰,是当前碳纳米管、富勒烯研究和应用领域中亟待解决的一个科学问题。对碳纳米管、富勒烯进行缺陷修饰,将可能赋予其全新的物理和化学性质,进而为碳纳米管、富勒烯的应用开辟新的途径。本论文以碳纳米管、富勒烯为研究对象,采用第一性原理方法计算了缺态碳纳米结构的电子性质及其应用。其目的在于为拓展碳纳米管、富勒烯的功能应用提出合理的手段。本文共分为六章,具体安排如下:第一章是引言,分析了碳纳米材料的结构特征和电子结构,并对碳纳米材料的功能应用做了一个简单介绍。第二章,分析了径向应变调制作用下的碳纳米管表面氢的脱附。我们发现,只加径向应变或者催化元素都不足以将化学吸附的氢原子脱离碳纳米管。而径向变形的Pd掺杂纳米管能有效的降低氢的脱附势垒。这可能是由于Pd与单壁碳纳米管（SWCNT）或Pd与氢分子之间的作用被加强的缘故。而Pd最高占据分子轨道（HOMO）的改变是Pd-SWCNT与Pd-H2相互作用加强的关键。计算显示, Pd与氢分子之间的结合能（十分之几电子伏特）很适合在标准条件下氢的可逆储存。储氢时,Pd可以促进氢的吸附量,在氢释放的时候,径向变形的Pd掺杂纳米管又能有效的降低氢的脱附势垒。因此加径向变形且掺杂Pd不仅可以促进纳米管对氢的吸附,又可以降低氢的脱附势垒。第三章,讨论了缺陷态碳纳米管表面水分子的分解。基于碳纳米管外表面可能存在C杂质和碳纳米管具有大的电负性的特点,我们采用含C吸附原子的碳纳米管模型,并在其中注入电荷来降低水的分裂势垒。结果证明带电的、有缺陷的碳纳米管能使水分子有效分解。由于局部结构的突起,C吸附原子处会积累比其它位置多得多的电荷。当水分子接近这一位置时,水分子与碳纳米管之间发生大的电荷转移,导致碳纳米管离域π电子与水分子之间存在强的静电相互作用,这是吸附产生的最主要机制。计算还发现CSWCNT的化学活性主要来源于碳吸附原子而不是注入的电荷。被吸附官能团的吸附强度及其脱附可由注入的电荷量来控制。计算得到了反应中真实的过渡态结构,并通过过渡态搜索计算找到了过渡态与反应物之间的能量势垒仅仅为0.167 eV。第四章,计算了钼掺杂富勒烯表面水分子的分解。与同尺寸的碳纳米管相比富勒烯的活性更强, C 20是活性最强的富勒烯。本章研究了C 20与水之间的吸附,并通过掺入活性很强的钼元素来加强C 20与水之间的相互作用。结果表明Mo掺杂的C20能有效分解水分子。而水与C20之间的相互作用强度能通过注入电荷得到加强。另外,对得到的稳定结构的频率分析发现,过渡态具有唯一的虚频-309.3cm-1,表明找到的过渡态是一个真正的过渡态结构。第五章,研究了应变诱导的电荷、近自由电子态（NFE）行为,并着眼于碳纳米管体系性质的调制。通过径向变形碳纳米管及其与碱金属、极性分子、非极性分子相作用体系的电子结构的计算发现,体系分子间电荷的转移或者电荷流向的改变决定体系近自由电子态、费米能级的移动。另外,我们还发现3.4 （A|°）这一表征石墨层间相互作用的特征量与电荷转移方向、近自由电子态移动并无必然的关联作用。尽管n型、p型掺杂只能让近自由电子态相对于费米能级往下移,径向应变能使碳纳米管的近自由电子态相对于费米能级往上移。这极大的扩大了人们对材料设计的选择性。第六章,本文的总结及对未来工作的展望。