多孔石墨片作為氫氣提純和存儲(chǔ)材料的理論研究.pdf

1、近年來，氫氣作為可再生能源引起了極大的關(guān)注。由于它具有豐富的含量、較高的能量密度、以及高清潔度等特點(diǎn)，有望成為未來的重要能量來源之一。同時(shí)，它也具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，尤其在石化、冶金、食品加工、精密電子工業(yè)合成等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，氫氣的高效分離、氫氣的存儲(chǔ)等問題還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
　　最近，石墨烯納米片C222被成功合成，該納米片一經(jīng)合成便引起科學(xué)家們強(qiáng)烈的興趣。已有的研究發(fā)現(xiàn)石墨片上的孔狀缺陷對其光

2、學(xué)和電學(xué)性質(zhì)都有很大影響。因此本文通過第一性原理研究了三種不同形狀的缺陷對C222石墨烯納米片的電、光學(xué)性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明中心挖去一個(gè)苯環(huán)的C216相比C222能隙增加了0.39eV，使其半導(dǎo)體特性明顯。相反C221和C220分別是由C222中心挖去一個(gè)和兩個(gè)碳原子形成的單空位缺陷和雙空位缺陷結(jié)構(gòu)，這兩個(gè)缺陷的存在降低了C222的能隙，使其導(dǎo)體特性明顯。同時(shí)能隙大小的改變也使得UV-vis吸收光譜中的最大吸收峰發(fā)生了藍(lán)移(C216

3、)或紅移（C221，C220）。另外，計(jì)算結(jié)果顯示隨著缺陷密度的增加，HOMO-LUMO能隙也增加，最高至4.28eV。吸收光譜也從400-800nm波段移至300-500nm波段。
　　由于石墨烯納米片C216是孔狀材料，符合分離膜材料的幾何特征，因此我們計(jì)算了它對于常見氣體（H2，O2，N2，NO，NO2，H2O，CO和CO2）的選擇性和過渡能壘，研究發(fā)現(xiàn)它對于氫氣的擴(kuò)散能壘明顯低于其它氣體，在室溫下該石墨片對氫氣相對于其他氣

4、體的選擇率高達(dá)1048，明顯優(yōu)于多孔石墨烯、石墨炔以及傳統(tǒng)氫氣分離膜，有望成為一種理想的氫氣分離膜材料。
　　同時(shí)，本文設(shè)計(jì)了一種Li摻雜的多孔石墨片C180，并研究了該材料作為作為儲(chǔ)氫材料的可能。計(jì)算結(jié)果表明Li原子在該石墨片表面不容易形成團(tuán)簇。而且氫氣在Li摻雜的多孔石墨片上的平均吸附能為-0.17eV，其絕對值明顯高于純多孔石墨片或Li摻雜的石墨烯。該吸附能的大小說明Li摻雜的多孔石墨片能夠?qū)崿F(xiàn)在溫和條件下對氫氣的自由吸附和