论文题目: 异型碳纳米管和富勒烯吸附性能及其生长机理的计算模拟研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 化学工艺
作者: 吴红丽
导师: 邱介山
关键词: 碳纳米管,型碳纳米管,型碳纳米管,富勒烯,吸附,生长机理,分子模拟
文献来源: 大连理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 纳米科技是21世纪技术革命的前沿领域。其中,以富勒烯和碳纳米管为代表的纳米碳材料倍受科研工作者的关注。纳米碳材料的吸附性能尤其是储氢性能的研究及其生长机制的研究是其中两大异常活跃的领域。从理论上揭示碳纳米管和富勒烯的吸附性能以及碳纳米管生长机制是倍受人们关注的重要课题。 迄今为止,有关碳纳米管之吸附性能的研究主要局限于直线型碳纳米管。已有的研究结果表明,碳纳米管是一种优良的气体吸附材料,其吸附性能在很大程度上依赖于碳纳米管的形貌和结构。本文采用分子力学（MM）和分子动力学（MD）方法,对几种不同形态的碳纳米管,即三种理想的单壁Y型碳纳米管和三种理想的单壁L型碳纳米管对小分子（H2,O2,NH3,H2O,CH4）的吸附性能进行了计算模拟研究,并与相应的直线型碳纳米管之吸附性能进行了对比,系统地考察了碳纳米管的形态、直径、螺旋性、结构缺陷以及吸附温度等因素对吸附过程的影响,并对吸附机理进行了探讨。模拟研究结果表明:（1） 氢分子在端口开放的异型碳纳米管上通过自然的物理吸附得到的储氢量相当有限,即使在低温时也无法达到美国能源部（DOE）的储氢标准;（2） 端口封闭的异型碳纳米管之储氢量高于相应直线型碳纳米管的储氢量,且Y型碳纳米管的储氢量略高于L型碳纳米管的储氢量;在本论文研究范围之内,对于任何一种给定的异型碳纳米管,降低温度和增大碳纳米管的直径均有助于提高异型碳纳米管的储氢量;且椅式异型碳纳米管之储氢性能略优于齿式异型碳纳米管的储氢性能;（3） 异型碳纳米管对NH3分子和H2O分子的吸附明显优于对CH4、O2和H2分子的吸附;在吸附H2O、NH3和O2分子后,碳管和小分子之间的电荷转移较大;（4） 碳纳米管或者其吸附体系的前线轨道主要来自于七元环及其附近碳原子的贡献,说明Y型碳纳米管上七元环及其周围碳原子可能成为化学修饰和化学反应的活性位点,与本论文中有关Y型碳纳米管化学加氢的计算结果相吻合;（5） 在吸附小分子后,异型碳纳米管最高占有轨道（HOMO）与最低未占轨道（LUMO）之间的能差明显减小,这一趋势对于椅式异型碳纳米管而言更为明显。 采用从头算方法在HF/6-31G水平上比较了氢分子进入几种富勒烯及其氧化物(C60,C60O,C60O2,C70)笼内的难易程度,考察了富勒烯碳笼的大小、碳笼上的氧原子以及氢分子进入碳笼的路径对这一过程的影响。计算结果表明:（1） 对于C60和C60O,由于五元环弯曲程度高于六元环,氢分子垂直五元环进入笼内的能垒小于垂直六元环进入笼内的相应能垒,即氢分子容易沿着垂直于富勒烯上的五元环进入笼内;而对于C60O2,由于两个氧原子的存在,得到的计算结果与C60和C60O相反;（2） 对于C70,氢分子垂直于端部五元环进入笼内的能垒与垂直于端部六元环进入笼内的能垒相接近,但氢分子垂直于赤道六元环进入笼内的能垒明显升高;（3） 氢分子进入较大碳笼C70的能垒小于进入富勒烯C60内的能垒,说明大的富勒烯碳笼有利于氢分子在笼内的存储。
论文目录:
第一章 文献综述
1．1 纳米科技的提出和发展
1．2 富勒烯和碳纳米管的发现
1．3 碳纳米管的结构、命名与分类
1．4 碳纳米管的应用
1．4．1 碳纳米管的电学性质与应用
1．4．2 碳纳米管的力学性质与应用
1．4．3 碳纳米管的场发射特性及其应用
1．4．4 碳纳米管的吸附及储氢性能
1．5 碳纳米管气体吸附性能的研究现状
1．5．1 碳纳米管储氢性能的研究进展
1．5．1．1 碳纳米管储氢性能的实验研究
1．5．1．2 碳纳米管储氢性能的理论研究
1．5．2 碳纳米管其它气体吸附的研究进展
1．6 碳纳米管生长机理的研究现状
1．6．1 单壁碳纳米管的生长机理
1．6．2 催化剂作用下单壁碳纳米管的生长机理
1．6．3 多壁碳纳米管的生长机理
1．6．4 催化剂作用下多壁碳纳米管的生长机理
1．7 其它形态的碳纳米管的发现和研究现状
1．8 本论文研究的内容、目的和意义
参考文献
第二章 理论计算方法介绍
引言
2．1 计算方法的分类
2．1．1 量子化学第一性原理(first principle)
2．1．2 哈特里—福克(Hartree-Fock，HF)近似
2．1．3 密度泛函(DFT)方法
2．1．4 半经验(semi-empirical)方法
2．1．5 分子力学(Molecular Mechanics，MM)方法
2．1．6 分子动力学(Molecular dynamics，MD)方法
2．1．7 MATERIALS STUDIO程序和GAUSSIAN程序
2．1．7．1 MATERIALS STUDIO程序
2．1．7．2 GAUSSIAN程序
参考文献
第三章 Y型碳纳米管小分子吸附性能的模拟计算研究
引言
3．1 Y型碳纳米管物理储氢的模拟研究
3．1．1 端口开放的Y型碳纳米管之储氢性能的模拟研究
3．1．1．1 模型的构建和模拟方法的选择
3．1．1．2 开口Y型碳纳米管储氢性能的分子力学(MM)计算
3．1．1．3 开口Y型碳纳米管储氢性能的分子动力学(MD)模拟研究
3．1．2 端口封闭的Y型碳纳米管储氢的模拟研究
3．1．2．1 模型的构建和模拟方法的选择
3．1．2．2 Y型碳纳米管储氢性能的分子动力学(MD)模拟研究
3．2 Y型碳纳米管化学储氢的量化计算研究
3．2．1 模型的构建和和计算方法的选择
3．2．2 计算结果的讨论
3．2．2．1 基态电子结构
3．2．2．2 Y型碳纳米管化学加氢的量子力学计算
3．3 Y型碳纳米管其它小分子吸附性能的模拟研究
3．3．1 最佳吸附路径的选择
3．3．1．1 小分子垂直于内壁六元环在Y型碳纳米管上吸附的势能曲线
3．3．1．2 小分子垂直于外壁六元环在Y型碳纳米管上吸附的势能曲线
3．3．1．3 小分子平行于管轴在Y型碳纳米管内吸附的势能曲线
3．3．2 Y型碳纳米管其它小分子吸附的分子动力学(MD)模拟研究
3．4 小分子在Y型碳纳米管上吸附机理的讨论
3．4．1 吸附体系电荷转移的计算
3．4．2 吸附体系前线轨道(Frontier orbital)的计算
3．5 本章小结
参考文献
第四章 L型碳纳米管小分子吸附性能的模拟计算研究
引言
4．1 L型碳纳米管储氢性能的模拟计算研究
4．1．1 开口L型碳纳米管储氢性能的模拟研究
4．1．1．1 模型的构建和模拟方法的选择
4．1．1．2 开口L型碳纳米管储氢性能的分子力学(MM)计算
4．1．1．3 开口L型碳纳米管储氢性能的分子动力学(MD)模拟研究
4．1．2 端口封闭的L型碳纳米管储氢性能的模拟研究
4．1．2．1 模型的构建和模拟方法的选择
4．1．2．2 端口封闭的L型碳纳米管储氢性能的分子动力学(MD)模拟研究
4．2 L型碳纳米管其它小分子吸附的模拟研究
4．2．1 小分子在L型碳纳米管外吸附的分子动力学(MD)模拟研究
4．2．2 小分子在L型碳纳米管内吸附的分子动力学(MD)模拟研究
4．2．3 小分子在L型碳纳米管上吸附的量子力学(MM)计算
4．3 小分子在L型碳纳米管上吸附机理的探讨
4．3．1 各吸附体系电荷转移的计算
4．3．2 吸附体系前线轨道(Frontier orbital)的计算
4．4 本章小结
参考文献
第五章 富勒烯及其氧化物储氢性能的模拟计算研究
引言
5．1 计算模型的构建和计算方法的选择
5．2 结果与讨论
5．2．1 氢分子进入富勒烯C_(60)、C_(60)O和C_(60)O_2笼内的势能曲线的量子力学计算
5．2．2 氢分子进入富勒烯C_(70)笼内的势能曲线的量子力学计算
5．3 本章小结
参考文献
第六章 Y型碳纳米管生长机制的模拟计算研究
引言
6．1 Y型碳纳米管的实验室制备
6．2 Y型碳纳米管生长机制的理论模拟研究
6．2．1 计算模型的构建和方法的选择
6．2．2 结果与讨论
6．2．2．1 不同硫原子团簇(Sn，n≤4)在碳纳米管上的加成
6．2．2．2 CS_2在碳纳米管上的加成
6．3 本章小结
参考文献
第七章 总结论和创新点
本人简介
致谢
大连理工大学学位论文版权使用授权书
发布时间: 2005-07-04
参考文献
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