【摘要】：由于現(xiàn)在生產(chǎn)工藝水平的限制,碳納米材料的缺陷是廣泛存在的,缺陷對(duì)碳納米材料的物理與化學(xué)性質(zhì)都產(chǎn)生的重要的影響。本文使用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,分別研究了單個(gè)額外碳原子摻雜和兩個(gè)額外碳原子摻雜造成的本征缺陷,在石墨烯和碳納米管的儲(chǔ)氫性能和電子性質(zhì)方面的影響。在此基礎(chǔ)上研究了石墨烯體系中堿金屬Li原子摻雜對(duì)單個(gè)碳原子C-Bridge缺陷的電子改性和儲(chǔ)氫性能,兩個(gè)碳原子C7557缺陷的電子改性和儲(chǔ)氫性能;碳納米管體系中B,N取代以及Li摻雜在單個(gè)碳原子C-Bridge缺陷時(shí)的電子性質(zhì)和儲(chǔ)氫性能,不同種類(lèi)的金屬原子摻雜對(duì)C7557缺陷碳納米管的電子性質(zhì)和儲(chǔ)氫性能的影響。利用第一性原理計(jì)算研究了鋰摻雜對(duì)兩種本征缺陷石墨烯電子結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)氫能力的影響,計(jì)算分析結(jié)果表明:(1)C-Bridge和C7557,本征缺陷的兩種不同結(jié)構(gòu)都具有適當(dāng)?shù)男纬赡?表明它們都是穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。(2)C-Bridge和C7557上Li原子的結(jié)合能高于Li原子的內(nèi)聚能和在純凈石墨烯上的結(jié)合能,Li原子可以更好地吸附在缺陷點(diǎn)上,并且可以預(yù)測(cè)具有很好的分散性。C-Bridge缺陷引起的能帶的自旋極化分離取決于Li摻雜的特性,而當(dāng)Li吸附在C7557位置時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。(3)Li原子的摻雜對(duì)石墨烯能帶中的狄拉克錐和費(fèi)米面起到調(diào)控作用。(4)本征缺陷點(diǎn)存儲(chǔ)氫的能力較弱,而缺陷石墨烯的存儲(chǔ)能力可以通過(guò)選擇Li摻雜來(lái)改善。我們認(rèn)為在不久的將來(lái)這兩個(gè)缺陷體系在氫儲(chǔ)存方面都會(huì)有很好的應(yīng)用前景。利用第一性原理計(jì)算模擬研究了金屬修飾含有填隙碳原子缺陷的小直徑單壁碳納米管(5*5)的電子性質(zhì)與儲(chǔ)氫性能。得出的結(jié)論總結(jié)如下:(1)單個(gè)碳原子摻雜的C-Bridge缺陷是一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),缺陷的引入增加了碳納米管的化學(xué)活性,在此基礎(chǔ)上B和N原子的取代分別代表著空穴和電子兩種形式的載流子的引入。這幾種操作都使得碳納米管的帶隙減小,改變了缺陷局域范圍內(nèi)的電子結(jié)構(gòu)。(2)堿金屬Li原子可以摻雜在C-Bridge/SWCNT和N/C-Bridge/SWCNT的上方,此時(shí)Li的吸附能大于Li的內(nèi)聚能,Li原子可以很好的分散在這兩種缺陷上且沒(méi)有團(tuán)簇的產(chǎn)生。(3)與沒(méi)有Li原子摻雜缺陷結(jié)構(gòu)相比較,Li原子的摻雜使得缺陷處電子發(fā)生了重新分布,產(chǎn)生了很好的儲(chǔ)氫效果,Li/C-Bridge能吸附6個(gè)氫氣分子,Li/N/C-Bridge能吸附8個(gè)氫氣分子,可以預(yù)測(cè)當(dāng)Li摻雜擴(kuò)大到整個(gè)平面時(shí),會(huì)有非常高的儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)。(4)帶有兩個(gè)填隙碳原子的缺陷結(jié)構(gòu)C7557是一種高度對(duì)稱(chēng)的缺陷類(lèi)型,堿金屬Li,堿土金屬Ca,過(guò)渡金屬Ti都能摻雜在C7557/SWCNT上,吸附能分別是3.065 eV,3.405 eV,5.133 eV。(5)Li摻雜在C7557缺陷處金屬原子周?chē)疃嗄芪?個(gè)氫氣分子,Ca摻雜在C7557缺陷處金屬原子周?chē)疃嗄芪?個(gè)氫氣分子。
【圖文】：

物理等吸附途徑來(lái)改善納米粒子的聚集，并且調(diào)間的相互作用強(qiáng)度。條件方式是氫氣分子以物理吸附或者是物理化學(xué)吸附的形式吸于氫氣的吸附和釋放。它們吸附標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別是物理吸附氫氣距大約是 0.76 ，氫氣分子和材料表面之間主要是較弱的原子間距大約為 3 左右，在循環(huán)吸放氫的過(guò)程中生成新的化學(xué)吸附是介于物理與化學(xué)吸附之間的吸附形式，氫原子的擇物理吸附和物理化學(xué)吸附形式的原因是氫氣的形態(tài)基本沒(méi)附與釋放，并且得到的氫氣形式方便使用，不用通過(guò)其他的要包括化學(xué)儲(chǔ)氫和物理儲(chǔ)氫，物理儲(chǔ)氫主要是通過(guò)高溫高壓

這種材料使得石墨烯由金屬轉(zhuǎn)變成直接帶隙半導(dǎo)體，改變了材料的性質(zhì)。當(dāng)對(duì) C7557 缺陷進(jìn)行堿金屬摻雜時(shí)，費(fèi)米面完全移動(dòng)到了導(dǎo)帶中，相當(dāng)于對(duì)材料進(jìn)行了n 型重?fù)诫s，體系的電子數(shù)增多，此時(shí)缺陷石墨烯由直接帶隙半導(dǎo)體變成了金屬。對(duì)兩種缺陷結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)分析可以看出缺陷結(jié)構(gòu)都能誘導(dǎo)出雜質(zhì)態(tài)，改變石墨烯的帶隙，這也增強(qiáng)了石墨烯的局部活性，增強(qiáng)了石墨烯的吸附性能。Li 原子對(duì)兩種缺陷結(jié)構(gòu)的摻雜也證明了堿金屬原子對(duì)費(fèi)米面和狄拉克錐的調(diào)控作用。圖 3-3 做出了缺陷局部范圍內(nèi)原子的 PDOS 圖來(lái)說(shuō)明缺陷結(jié)構(gòu)中局部范圍內(nèi)各個(gè)原子的貢獻(xiàn)。在圖 3-3（I）中可以看出 C-Bridge 缺陷中 Cb原子的 p 軌道對(duì)費(fèi)米能級(jí)有一個(gè)很大的貢獻(xiàn)，而 C1和 C2原子的共振狀態(tài)完全相同說(shuō)明它們之間仍以共價(jià)鍵的形式結(jié)合，并且在-1.7 eV 附近與 Cb存在雜化作用。當(dāng) Li 原子對(duì) C-Bridge 摻雜后，如圖 3-3 (II)，在導(dǎo)帶中有一個(gè)很強(qiáng)的峰值，增加了導(dǎo)帶的電子活性。并且 Cb原子在費(fèi)米能級(jí)附近的一個(gè)峰值劈裂成了兩個(gè)峰，，且兩峰之間在費(fèi)米面處降為零，此時(shí)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出半金屬的性質(zhì)。在缺陷 C7557 中（圖 3-3 (III)）中可以看出兩個(gè)摻雜原子 C1和 C2的 PDOS 圖完全
【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2689107