缺陷態(tài)碳納米材料的功能應用.pdf

1、獨特的結構及優(yōu)異的物理化學性質使碳納米管、富勒烯在眾多領域具有廣泛的潛在應用，成為納米材料科學研究的熱點課題之一。碳納米管、富勒烯的類石墨結構具有極高的化學穩(wěn)定性和不溶性，這極大地限制了它們作為化學反應載體、復合材料組分的可操作性。如何對碳納米管、富勒烯進行有效的功能修飾，是當前碳納米管、富勒烯研究和應用領域中亟待解決的一個科學問題。對碳納米管、富勒烯進行缺陷修飾，將可能賦予其全新的物理和化學性質，進而為碳納米管、富勒烯的應用開辟新的途

2、徑。本論文以碳納米管、富勒烯為研究對象，采用第一性原理方法計算了缺態(tài)碳納米結構的電子性質及其應用。其目的在于為拓展碳納米管、富勒烯的功能應用提出合理的手段。本文共分為六章，具體安排如下： 第一章是引言，分析了碳納米材料的結構特征和電子結構，并對碳納米材料的功能應用做了一個簡單介紹。 第二章，分析了徑向應變調制作用下的碳納米管表面氫的脫附。我們發(fā)現(xiàn)，只加徑向應變或者催化元素都不足以將化學吸附的氫原子脫離碳納米管。而徑向變形

3、的 Pd 摻雜納米管能有效的降低氫的脫附勢壘。這可能是由于 Pd 與單壁碳納米管（SWCNT）或Pd與氫分子之間的作用被加強的緣故。而Pd 最高占據(jù)分子軌道（HOMO）的改變是Pd-SWCNT與Pd-H2相互作用加強的關鍵。計算顯示， Pd 與氫分子之間的結合能(十分之幾電子伏特)很適合在標準條件下氫的可逆儲存。儲氫時，Pd可以促進氫的吸附量，在氫釋放的時候，徑向變形的 Pd 摻雜納米管又能有效的降低氫的脫附勢壘。因此加徑向變形且摻雜P

4、d不僅可以促進納米管對氫的吸附，又可以降低氫的脫附勢壘。 第三章，討論了缺陷態(tài)碳納米管表面水分子的分解。基于碳納米管外表面可能存在C雜質和碳納米管具有大的電負性的特點，我們采用含C吸附原子的碳納米管模型，并在其中注入電荷來降低水的分裂勢壘。結果證明帶電的、有缺陷的碳納米管能使水分子有效分解。由于局部結構的突起，C吸附原子處會積累比其它位置多得多的電荷。當水分子接近這一位置時，水分子與碳納米管之間發(fā)生大的電荷轉移，導致碳納米管離域

5、π電子與水分子之間存在強的靜電相互作用，這是吸附產(chǎn)生的最主要機制。計算還發(fā)現(xiàn)C_SWCNT 的化學活性主要來源于碳吸附原子而不是注入的電荷。被吸附官能團的吸附強度及其脫附可由注入的電荷量來控制。計算得到了反應中真實的過渡態(tài)結構，并通過過渡態(tài)搜索計算找到了過渡態(tài)與反應物之間的能量勢壘僅僅為0.167 eV。 第四章，計算了鉬摻雜富勒烯表面水分子的分解。與同尺寸的碳納米管相比富勒烯的活性更強， 是活性最強的富勒烯。本章研究了 與水之

6、間的吸附，并通過摻入活性很強的鉬元素來加強 與水之間的相互作用。結果表明Mo摻雜的 能有效分解水分子。而水與 之間的相互作用強度能通過注入電荷得到加強。另外，對得到的穩(wěn)定結構的頻率分析發(fā)現(xiàn)，過渡態(tài)具有唯一的虛頻-309.3cm-1，表明找到的過渡態(tài)是一個真正的過渡態(tài)結構。 第五章，研究了應變誘導的電荷、近自由電子態(tài)（NFE）行為，并著眼于碳納米管體系性質的調制。通過徑向變形碳納米管及其與堿金屬、極性分子、非極性分子相作用體系的電