碳納米管儲氫性能的第一原理研究.pdf

1、碳納米管(CNTs)是由石墨卷曲形成的直徑在納米尺度的空心圓柱體，由于CNTs自身具備獨特的性能而被應(yīng)用于場發(fā)射材料、電子器件、儲氫媒體和分子載體等領(lǐng)域，其中最具潛力的應(yīng)用是用作儲氫(H)材料和儲存鋰(Li)的載體。發(fā)展高能密度化學(xué)電源是解決未來交通、環(huán)境和資源等一系列重大問題的關(guān)鍵技術(shù)，而能量密度最高的體系幾乎都是采用H和Li為能源材料。從目前的發(fā)展?fàn)顩r來看，現(xiàn)有的儲H和儲Li材料均存在著實際比能量偏低的缺陷，尚不能滿足相關(guān)技術(shù)應(yīng)用的

2、需求。CNTs作為儲氫和儲鋰材料可以有效提高比能量，受到研究者的重視。
　　 科學(xué)計算是繼理論科學(xué)和實驗科學(xué)之后，人類認(rèn)識與征服自然的第三種科學(xué)方法。計算機(jī)模擬技術(shù)在材料科學(xué)與工程中扮演著越來越重要的角色，相當(dāng)數(shù)量的計算機(jī)模擬方法已經(jīng)應(yīng)用于儲能材料的研究領(lǐng)域。計算采用基于第一原理的MaterialStudio中的CASTEP軟件，CASTEP軟件計算方法建立在密度泛函理論的基礎(chǔ)上，包括了廣義梯度近似和局域密度近似，本論文采用了廣

3、義梯度近似下的Perdewm，Burke和Ernzerhof交換關(guān)聯(lián)泛函方法。
　　 論文通過密度泛函理論首先研究了單個H原子和兩個H原子在CNTs表面的吸附。計算結(jié)果表明，單個H原子以化學(xué)吸附的形式穩(wěn)定的存在于CNTs的表面，其費米能級處引入了雜質(zhì)態(tài)，是吸附的H原子與產(chǎn)生變形缺陷處的C原子共同作用的結(jié)果；兩個H原子在CNTs表面的吸附共分為三種不同的構(gòu)型，最穩(wěn)定的構(gòu)型是兩個H原子吸附在兩個相鄰的C原子上，這種構(gòu)型其費米能級處無

4、雜質(zhì)態(tài)。理論分析發(fā)現(xiàn)吸附H原子時引起的CNTs不對稱變形更易產(chǎn)生雜質(zhì)態(tài)。
　　 論文分析了硅(Si)原子和硼(B)原子摻雜CNTs的性能，以及摻雜后的壁碳納米管吸附Li原子的幾種可能的幾何結(jié)構(gòu)。單個Si原子和B原子分別摻雜單壁碳納米管對CNTs的態(tài)密度影響輕微，但是降低了摻雜原子周圍區(qū)域的電子密度，使電子分散到與之相連的C原子上。
　　 計算發(fā)現(xiàn)Li原子在摻雜CNTs上的吸附增強。電子結(jié)構(gòu)分析表明摻雜原子周圍形成一個低電