本文關(guān)鍵詞： 石墨烯 碳納米管 第一原理計(jì)算 儲氫性能　出處：《重慶師范大學(xué)》2015年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在人類賴以生存的環(huán)境中,我們所依靠的能源80%以上仍然來源于化石燃料的燃燒。由此產(chǎn)生的環(huán)境問題對人類的生存威脅越來越大。我們不得不開發(fā)一種對環(huán)境污染小的新型能源,氫能源應(yīng)運(yùn)而生。但是氫能源主要是以氫氣的氣體形式存在,易燃易爆炸,所以氫能源的儲存問題便成為各國學(xué)術(shù)研究的一大熱點(diǎn)。目前氫能源的儲存研究主要集中在金屬材料儲氫、炭質(zhì)材料儲氫、金屬有機(jī)骨架儲氫等方面。炭質(zhì)材料質(zhì)量輕,比表面積大、孔狀結(jié)構(gòu)多使得其自從被發(fā)現(xiàn)以來便成為儲氫研究的一大熱點(diǎn),尤其是對石墨烯和碳納米管的儲氫性能研究。本文采用基于密度泛函理論的第一原理計(jì)算方法,利用MS(Material Studio)軟件中的CASTEP程序,對Ca、B摻雜前后的石墨烯和碳納米管的儲氫性能進(jìn)行了研究。計(jì)算并分析了摻雜前后體系的形成熱、原子的凈電荷、Mulliken集居數(shù)、重疊集居數(shù)、態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)、電子密度等相關(guān)量。對于石墨烯系統(tǒng),研究表明:在沒有摻雜之前,C原子和H原子之間不存在相互作用力,石墨烯對氫的吸附主要為物理吸附。摻雜B原子之后,體系的形成熱升高,穩(wěn)定性增強(qiáng),電子向C原子移動,費(fèi)米能級附近帶隙寬度由原來的絕緣體范圍變?yōu)榻饘俜秶?增強(qiáng)了體系內(nèi)部原子之間電子的自由移動,提高了體系的儲氫能力;此時體系的理論儲氫量可以達(dá)到8.0wt%。摻入Ca原子之后,體系變?yōu)榘雽?dǎo)體性質(zhì),電子向C原子轉(zhuǎn)移,C原子處電子密度最大,C-H之間形成較強(qiáng)的共價鍵作用,但不如B摻雜性能好。對于碳納米管體系,Ca的摻雜使得C原子和H原子處電子密度增大,C-H之間的化學(xué)鍵作用增強(qiáng),相比未摻雜的碳納米管體系,導(dǎo)帶和價帶的重疊程度更強(qiáng),增強(qiáng)了體系的儲氫能力。B的摻雜,使得體系由金屬性向半導(dǎo)體性質(zhì)轉(zhuǎn)變,抑制了體系中電子的移動,但部分電子仍能跨越能隙,由B原子向C原子和H原子轉(zhuǎn)移,C-H之間的電子密度部分增大,使得C原子和H原子之間的化學(xué)鍵作用有所增強(qiáng),但不如Ca摻雜對體系儲氫性能的影響好。綜上所述,B原子和Ca原子摻雜都有利于提高石墨烯和碳納米管的的儲氫性能,但B原子摻雜有利于提高石墨烯體系儲氫性能,而Ca原子摻雜則更適用于提高碳納米管體系的儲氫性能。
[Abstract]:In the environment on which human beings depend. More than 80% of the energy we rely on still comes from the burning of fossil fuels. The resulting environmental problems are increasingly threatening the survival of mankind. We have to develop a new energy source with little environmental pollution. Hydrogen energy comes into being. However, hydrogen energy mainly exists in the form of hydrogen gas, which is flammable and explosive. Therefore, the storage of hydrogen energy has become a hot topic of academic research in many countries. At present, the research of hydrogen energy storage mainly focuses on metal materials, carbon materials, hydrogen storage. Carbon materials with light weight, large specific surface area and porous structure have become a hot spot in hydrogen storage research since they were discovered. In particular, the hydrogen storage properties of graphene and carbon nanotubes are studied. In this paper, the first principle method based on density functional theory is used to calculate the hydrogen storage properties of graphene and carbon nanotubes. Using MS(Material Studio software in the CASTEP program, Ca. The hydrogen storage properties of graphene and carbon nanotubes before and after B doping were studied. The heat of formation, the net charge of atoms and the overlapping population were calculated and analyzed. The density of states, band structure, electron density and so on. For graphene system, it is shown that there is no interaction between C atom and H atom before doping. The adsorption of graphene on hydrogen is mainly physical adsorption. After doping B atom, the formation heat of the system increases, the stability of the system increases, and the electron moves to the C atom. The band gap width near the Fermi energy level is changed from the original insulator range to the metal range, which enhances the free movement of electrons between atoms in the system and improves the hydrogen storage capacity of the system. In this case, the theoretical hydrogen storage capacity of the system can reach 8.0 wt.The system becomes semiconductor property after the addition of Ca atom, and the electron density of the C atom is the highest when the electron is transferred to the C atom. There is a strong covalent bond between C-H, but it is not as good as B-doping. For carbon nanotube system, the electron density between C atom and H atom increases with Ca doping. Compared with the undoped carbon nanotube system, the chemical bond interaction between C-H is stronger, the overlap of conduction band and valence band is stronger, which enhances the hydrogen storage ability of the system. B doping. The system changes from the gold property to the semiconductor property, which inhibits the electron movement in the system, but some electrons can still cross the energy gap and transfer from B atom to C atom and H atom. The increase of electron density between C-H and H atoms makes the chemical bond between C atom and H atom stronger, but the effect of Ca doping on hydrogen storage property of the system is not as good as that of Ca doping. Doping of B atom and Ca atom can improve the hydrogen storage performance of graphene and carbon nanotubes, but B atom doping can improve the hydrogen storage performance of graphene system. However, Ca doping is more suitable for improving the hydrogen storage performance of carbon nanotube system.
【學(xué)位授予單位】：重慶師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB34;TB383.1

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本文編號：1466865