碳纳米管储氢的计算
学号：[1**********]4
姓名：娜仁·阿尔别克
专业：应用化学
指导老师：王桂香
摘要：碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。
碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm ，直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性
碳纳米管是一类性能独特和具有广泛应用前景的新型碳材料。碳纳米管由于高长径比、高表面积、小尺寸等特殊的结构，以及表现出来的特殊的物理性能，使得它在很多领域拥有很大的应用潜力。本文首先建立了氢分子之间和氢分子与碳原子之间的相互作用势能模型，借助于分子动力学方法对单壁碳纳米管的储氢过程进行了模拟计算，得出了氢分子密度在碳纳米管径向方向上的分布曲线，提出了储氢的多层吸附机制，解释了密度曲线的规律。文中得到的一些结论为进一步研究碳纳米管储氢问题提供了有益的理论依据。
关键词：单壁碳纳米管的结构；分子动力学；储氢；多层吸附；计算。
Abstract: Carbon nanotubes have attracted much attention for their many promising properties and potential applications ．Tile carbon
nanotubes have special structure and excelent physical properties，suchas high aspect ratio ，high surface area ，small size et al ，SO they own potential applications in many fileds．the adsorption of hydrogen gas into single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) is studied by molecular dynamics .we find that regularities of distribution for hydrogen molecule are conputed .we analysis the results theoretically and find physical interpretation .multilayer adsorbed in single-wanlldecarbon nannotubes are conputed.it provide essential theoretical referrence for further studing hydrogen adsorption in single-walled carbon nanotubes.
Key words:single-walled carbon nanotubes ；molecular dynamics; adsorption hydrogen;multilayer adsorption ;computer
前言：碳纳米管自 1991 年被 Iijima 博士在电弧蒸发石墨电极制备C60的实验产物中意外发现后. 由于它结构的奇异性以及表现出的奇异的力学, 电子及磁学性质, 可望在结构增强材料, 纳米器件, 场发射材料, 催化剂载体, 电磁屏蔽材料, 吸波材料, 能源材料, 等众多领域获得广泛应用. 碳纳米管是晶型碳的另一种异形体 具有一维纳米结构. 许多学者推测碳纳米管可能成为二十一世纪人类大规模应用纳米材料的突破口. 根据构成管壁碳原子层的层数不同碳纳米管(CNT)可分为单壁纳米管( SWNTS) 和多壁纳米碳管(NWNTS).二者都是由单层或多层的石墨片层卷曲而成的. 具有长径比很高的纳米级中空管, 以下主要介绍单壁碳纳米管的结构。
正文：单壁碳纳米管的结构:单壁碳纳米管可看成是由单层石墨片卷
曲而成，图l 为石墨片的平面结构．图1中a1，a2, 为固体物理学原胞基底矢量，T 为碳纳米管的轴线方向(Tube axis)矢量，Ch 所在的位置为管圆周方向，它与T 垂直，形成碳纳米管时,Ch 向量的始末 端重合，Ch 称为手性矢量, 它可表示为
式中，m,n 称为单壁碳纳米管的结构参数，它们均为整数．
图l 中，为手性角，它是Ch 与a1或a2夹角中的最小的角．当m=n时，=300，此时的管称为扶手椅型单壁碳纳米管(Armchair SWNTs)；当m=0或n=0时, =0，此时的管称为锯齿型单壁碳纳米管(Zigzag SWNTs) ；当m,n 为其他值
时，0
式中，ac-c 为相邻碳原子距离，acc=0．144 nm．碳纳米管的直径为
。 手型角满租。
碳纳米管的结构十分的稳定，碳纳米管属于一维量子线．在孤立的石墨片边缘，存在着大量的悬挂键，因而能量较高，故不稳定，在形成碳纳米管后，可以消除石墨片2个边缘上的悬挂键．因为悬挂键的减少，使得系统的能量降低，此时，碳纳米管的能量将低于相应石墨片的能量，体系的能量越低则结构越稳定。
碳纳米管有着许多优良的特性，被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低，压缩成液体储存又十分不方便。碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。 这成为了科学家们关注的焦点。1997年，AC.Dillon 等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。初步结果表明：碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。据推测，单壁碳纳米管的储氢量可达10%（质量比）。此外，碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。
碳纳米管的表面特性决定其与氢的相互作用对碳纳米管的表面
活化处理(也称脱帽) 是储氢过程中的关键环节。首先介绍单壁碳管具有优秀储氢性能的报道来自美国国立可再生能源实验室的 Dillon 等人. 他们采用 TPDS(程序控温脱附仪D) 测量SWNT 的载氢量从实验数据推测其具有约 5~ 10% ( 质量分数下同 D 的储氢量测出吸附热为19. 6kJ/mol ) 并认SWNT 是唯一可用于氢燃料电池汽车的储氢材料。
储氢作用势能模型及初始化条件
在碳纳米管储氢中，一个H2分子的总势能U 可以表示成两部分， 其中一部分是一个H2分子与其它所有 H2分子之间的作用势能之和U(HH)另一部分是一个H2分子与管上所有C 原子之间的作用势能之和U(TH),即:U=U(HH)+U(TH)。氢分子之间相互作用势能模型为在此采用Lennard-Jones （L-J ）势，则第i 个与第 j 个 H2分子之间的势能为
rij 表示第 i 个与第 j 个H2分子之间的距离,
是
是分子的有效直径，势能的阱深。 由于H2是非极性分子，所以本文采用
势来表征H2分子之间的相互作用是非常合适的。根据公式，沿碳纳米管的径向方向，以 0.01nm 为厚度分成一层层的同心薄圆筒，在距管轴 r 处 H2分子的局部密度为
N(r)为距管轴在 范围内的H2分子数，L 是碳纳米管的长度。通过计算得平均值可得到三种管径的碳纳米管吸附H2分子后
的密度曲线，见图1。
多层吸附理论和管吸附氢的计算多层吸附理论
关于管外H2分子次级密度高峰产生的原因，理论上认为属于多层分子吸附理论，即在管壁吸附第一层H2分子的同时，也发生第二层吸附。第二层H2分子吸附作用主要来源于管壁的作用，其次为第一层H2分子对它的作用储氢量的计算随着半径的增加，管内可以容纳更多的H2分子，总吸附量也随着增加。
虽然各个科学家实验模拟计算的结果和见解比较离散 但是大家还是达成了一些基本共识: 吸附量与表面积成正比关系，吸附的区域大致在管内和管外或阵列的间隙处，碳纳米管的直径对吸附量有影响，表面活化或掺杂对吸附量起着重要甚至于决定性作用。
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