水和二氧化碳在端口改性碳納米管中的遷移性質研究.pdf

1、隨著經濟的發(fā)展，全球能源危機日益顯現(xiàn)，各國對新能源的需求十分迫切。燃料電池作為一種高效無污染的能源得到了極大的重視。在燃料電池中的還原-氧化化學反應需要貴金屬加以催化，其價格高昂阻礙了燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化利用。盡管在眾多的理論中，碳納米管的結構被描述為開口結構，但是其需要在端口的懸空鍵添加分子官能團[如氫原子(-H)、羥基(-OH)、羧基(-COOH)]才能形成穩(wěn)定的結構。碳納米管改性端口的分子拓撲結構和電子云的分布會影響粒子在端口的

2、遷移性質。燃料電池的反應產物主要包括水和二氧化碳，所以本文的研究重點是使用分子動力學模擬的方法，分析了形態(tài)結構（比如碳納米管的直徑、端口官能團的種類和外場條件（比如溫度和電場）對水分子和二氧化碳在官能團化碳納米管端口的遷移性質。
　　構建直徑分別是8.14[CNT(6,6)]、10.85[CNT(8,8)]、13.56[CNT(10,10)]、16.27CNT[(12,12)]、18.98[CNT(14,14)]的五種“扶手椅”型

3、單壁碳納米管，添加三種的不同官能團-H、OH、-COOH，分別充入1.0g/cm3的水分子和1.429g/cm3的CO2分子，模擬分析碳納米管直徑和官能團種類對水分子和二氧化碳分子在碳納米管端口的遷移性質。結果表明：當碳納米管的直徑增加時，水分子和二氧化碳通過官能團化碳納米管的頻率依次增加，而且有利于吸附水分子和二氧化碳；三種官能團的影響效果各不相同，其中羧基的阻力最大，主要是由于其和另外兩種的官能團相比，它具有更長的鏈長。但是氫基和羥

4、基的影響效果要隨著碳納米管的直徑而發(fā)生變化，當碳納米管的直徑較小時，氫基在端口的擺動劇烈程度遠大于羧基的，所以導致其有效的流動面積減少，因而此時的羧基更有利于水分子和二氧化碳的擴散，但是當碳納米的直徑增加時，盡管氫基的擺動速度大于羧基，但是羧基的鏈長更長，此時它占主要的決定因素，所以氫基更有利于水分子和二氧化碳的擴散；隨著碳納米管直徑的增加，水分子和二氧化碳會在碳納米管的內部形成不同的環(huán)狀排列，而且逐漸的接近無序狀態(tài)，這說明隨著碳納米管

5、直徑的增加，其在碳納米管的內部逐漸接近于自然狀態(tài)。
　　選擇端口改性是-H的碳納米管，分析了溫度的影響效應。結果表明：隨著溫度的升高，水分子和二氧化碳通過官能團化碳納米管端口的頻率隨之增加，但是溫度對水分子在端口的擴散頻率更加明顯。水分子和二氧化碳在碳納米管中的吸附個數(shù)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，水和二氧化碳在碳納米管中的吸附個數(shù)幾乎不發(fā)生改變，這說明溫度的升高不會導致水分子和二氧化碳在碳納米管中發(fā)生結構變化。隨著溫度的升高，整個系統(tǒng)的

6、熱運動增強，水分子和二氧化碳的擴散系數(shù)也隨之增加,這說明了溫度的升高有利于水分子和二氧化碳在碳納米管內的擴散。
　　選擇端口改性是-H的碳納米管，分析了電場的影響效應。結果表明：當碳納米管的直徑相同時，隨著電場強度的增加，水分子和二氧化碳遷移官能團化碳納米管的頻率也隨之增加，這說明電場強度的增加有利于水和二氧化碳通過官能團化碳納米管端口。當施加電場強度時，由于電場的存在，會導致水分子在碳納米管內部發(fā)生極化現(xiàn)象，從而引起水分子在碳納