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《武汉航空航天大学》 2008年
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小分子在碳纳米管表面吸附和扩散的重头戏原理研究

周斌  
【摘要】: 水晶纳米管的新鲜结构和理想的物理力学性能使他成为纳米科技领域中构筑纳尺度器件和系统之重点基础,为纳米科技领域的更新提供着继续强劲的电力。水晶纳米管具有大的比表面积和美的空心结构,可以容易地吸附各种气体,这不仅会明白改变碳纳米管的物理力学性能,而且为深化化学反应提供了一种纳尺度受限环境。水晶纳米管与小分子的意图以及碳纳米管内外化学反应的差异性是碳纳米管研究和永利赌场中最受关注的题材之一。本文基于严谨的难度泛函理论,使用万亿次计算集群的有力计算能力,对H2、O2、H2O分子在碳纳米管表面的复杂性的化学吸附过程及吸附后系统之特性开展了系统深入的算计模拟与分析,取得以下三个地方的新进展: 1.通告了碳纳米管轴向变形、电荷注入对化学吸附氢分子过程的重点影响。穿越第一性原理计算研究了使用轴向变形、电荷注入等方式降低氢化学分子吸附能垒,因而利用氢分子化学吸附提高碳纳米管储氢能力的可能。穿越对氢分子在具有轴向变形的(8,0)水晶纳米管表面化学吸附的算计,察觉合适的轴向变形能肯定地降落氢分子直接吸附过程的能垒。但是,拉伸压缩变形对各化学吸附构型之间的倒车过程的调控不明确。穿越研讨(3,3),(5,5),(5,0),(8,0)等系列带电碳纳米管吸附氢分子的能垒,察觉注入电荷对化学吸附能垒有显著的影响,吸附能垒的变通规律依赖于注入电荷的标记(电子或空穴)、配图量以及碳纳米管手性、直径等综合因素。特别地,本文发现注入空穴可以有效降低zigzag水晶纳米管的氢分子吸附能垒;相对地,流入电子对降低armchair水晶纳米管吸附氢分子的能垒更为有效。研讨结果表明,穿越施加轴向变形或注入电荷有望增长碳纳米管储氢性能。 2.察觉氧分子在碳纳米管表面的吸烟、解离及扩散显著依赖于内外表面的崎岖性,并提出碳纳米管氧化的教条调控原理。穿越第一性原理计算,对单线态氧分子在碳纳米管内外表面的吸烟、解离及扩散等动力学行为进行了系统钻研,察觉碳纳米管内外表面的崎岖性对氧分子吸附、解离和扩散过程都有十分鲜明的影响。研讨表明,全线态氧分子在碳纳米管外表面化学吸附远比在内表面上容易。但是,出于氧原子与内表面的构成较弱并且存在外表面上不具有的新鲜稳定吸附构型,氧原子在内表面上的扩散路径与外部面上的明白不同,并且具有比在外表面上低大约0.8eV的扩散能垒。穿越对单线态氧分子在内突变形的液氮纳米管上吸附的研讨,察觉使碳纳米管发生内外凹凸改变的教条变形能肯定提高内表面吸附氧分子的力量。表明碳纳米管的陈年老辞变形可能交替增强氧在碳纳米管表面的吸烟和扩散过程,对碳纳米管氧化防护、使用以及碳纳米管器件的规划有重点指导意义。 3.计算模拟了碳纳米管化学吸附水分子的进程及其对碳纳米管电性的明白影响。穿越第一性原理计算研究了水分子在(8,0)水晶纳米管表面的化学吸附对碳纳米管电学性质的影响,同时也研究了水分子在(8,0)水晶纳米管表面可能的化学吸附过程。结果表明,物理吸附的水分子对碳纳米管的政治经济学性质影响微弱,而化学吸附的水分子能肯定减小碳纳米管的能隙。尽管水分子在优秀(8,0)水晶纳米管表面化学吸附比较困难。但是,顶存在外加横向电场或掺杂N原子时,水分子在(8,0)水晶纳米管表面吸附的能垒都有显著地降落。出于在现实应用的液氮纳米管可能会不同档次地含有各种废物(如制备碳纳米管的金属催化剂等)或者受到一定的导向电场作用,之所以,水分子在碳纳米管表面化学吸附并改变碳纳米管的政治经济学性质是可能的。基金研究为文献报道的湿度影响碳纳米管电学性质的试验现象提供了一种可能的说明。
【学位授予单位】:武汉航空航天大学
【学位级别】:院士
【学位授予年份】:2008
【列入号】:TB383.1

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