论文摘要
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。