【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,缺陷對碳納米材料的物理與化學性質(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算方法,分別研究了單個額外碳原子摻雜和兩個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氫性能和電子性質(zhì)方面的影響。在此基礎上研究了石墨烯體系中堿金屬Li原子摻雜對單個碳原子C-Bridge缺陷的電子改性和儲氫性能,兩個碳原子C7557缺陷的電子改性和儲氫性能;碳納米管體系中B,N取代以及Li摻雜在單個碳原子C-Bridge缺陷時的電子性質(zhì)和儲氫性能,不同種類的金屬原子摻雜對C7557缺陷碳納米管的電子性質(zhì)和儲氫性能的影響。利用第一性原理計算研究了鋰摻雜對兩種本征缺陷石墨烯電子結(jié)構(gòu)和儲氫能力的影響,計算分析結(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?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上,并且可以預測具有很好的分散性。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Li吸附在C7557位置時沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象。(3)Li原子的摻雜對石墨烯能帶中的狄拉克錐和費米面起到調(diào)控作用。(4)本征缺陷點存儲氫的能力較弱,而缺陷石墨烯的存儲能力可以通過選擇Li摻雜來改善。我們認為在不久的將來這兩個缺陷體系在氫儲存方面都會有很好的應用前景。利用第一性原理計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)與儲氫性能。得出的結(jié)論總結(jié)如下:(1)單個碳原子摻雜的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活性,在此基礎上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有團簇的產(chǎn)生。(3)與沒有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)生了很好的儲氫效果,Li/C-Bridge能吸附6個氫氣分子,Li/N/C-Bridge能吸附8個氫氣分子,可以預測當Li摻雜擴大到整個平面時,會有非常高的儲氫質(zhì)量分數(shù)。(4)帶有兩個填隙碳原子的缺陷結(jié)構(gòu)C7557是一種高度對稱的缺陷類型,堿金屬Li,堿土金屬Ca,過渡金屬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缺陷處金屬原子周圍最多能吸附6個氫氣分子,Ca摻雜在C7557缺陷處金屬原子周圍最多能吸附9個氫氣分子。
【圖文】：

物理等吸附途徑來改善納米粒子的聚集，并且調(diào)間的相互作用強度。條件方式是氫氣分子以物理吸附或者是物理化學吸附的形式吸于氫氣的吸附和釋放。它們吸附標準的區(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)吸放氫的過程中生成新的化學吸附是介于物理與化學吸附之間的吸附形式，氫原子的擇物理吸附和物理化學吸附形式的原因是氫氣的形態(tài)基本沒附與釋放，并且得到的氫氣形式方便使用，不用通過其他的要包括化學儲氫和物理儲氫，物理儲氫主要是通過高溫高壓

這種材料使得石墨烯由金屬轉(zhuǎn)變成直接帶隙半導體，改變了材料的性質(zhì)。當對 C7557 缺陷進行堿金屬摻雜時，費米面完全移動到了導帶中，相當于對材料進行了n 型重摻雜，體系的電子數(shù)增多，此時缺陷石墨烯由直接帶隙半導體變成了金屬。對兩種缺陷結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)分析可以看出缺陷結(jié)構(gòu)都能誘導出雜質(zhì)態(tài)，改變石墨烯的帶隙，這也增強了石墨烯的局部活性，增強了石墨烯的吸附性能。Li 原子對兩種缺陷結(jié)構(gòu)的摻雜也證明了堿金屬原子對費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 圖來說明缺陷結(jié)構(gòu)中局部范圍內(nèi)各個原子的貢獻。在圖 3-3（I）中可以看出 C-Bridge 缺陷中 Cb原子的 p 軌道對費米能級有一個很大的貢獻，而 C1和 C2原子的共振狀態(tài)完全相同說明它們之間仍以共價鍵的形式結(jié)合，并且在-1.7 eV 附近與 Cb存在雜化作用。當 Li 原子對 C-Bridge 摻雜后，如圖 3-3 (II)，在導帶中有一個很強的峰值，增加了導帶的電子活性。并且 Cb原子在費米能級附近的一個峰值劈裂成了兩個峰，，且兩峰之間在費米面處降為零，此時結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出半金屬的性質(zhì)。在缺陷 C7557 中（圖 3-3 (III)）中可以看出兩個摻雜原子 C1和 C2的 PDOS 圖完全
【學位授予單位】：河南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TQ127.11

【參考文獻】

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1 張艷鋒;高騰;張玉;劉忠范;;金屬襯底上石墨烯的控制生長和微觀形貌的STM表征[J];物理化學學報;2012年10期

2 解鵬洋;莊桂林;呂永安;王建國;李小年;;貴金屬原子與點缺陷石墨烯的鍵增強作用(英文)[J];物理化學學報;2012年02期

3 戴憲起;李艷慧;趙建華;唐亞楠;;空位和B摻雜對Si在石墨烯上吸附的影響[J];物理化學學報;2011年02期

4 賈紅兵;祝麗娟;蔣靜;蔣琪;王經(jīng)逸;房爾園;;改性多壁碳納米管/溶聚丁苯硫化膠研究[J];南京理工大學學報(自然科學版);2010年06期

5 隋然;白松;龔劍;;氫氣儲存方法的現(xiàn)狀及發(fā)展[J];艦船防化;2009年03期

6 陳偉;葉軍;;單壁碳納米管端口結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性[J];原子與分子物理學報;2008年04期

7 劉紹軍;馬建新;周偉;潘相敏;;小型加氫站網(wǎng)絡的成本分析[J];天然氣化工;2006年05期

8 周震;言天英;高學平;;儲能材料的模擬與設計[J];物理化學學報;2006年09期

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1 趙朝軍;摻雜石墨烯的電子結(jié)構(gòu)與光學性質(zhì)研究[D];西安電子科技大學;2012年

本文編號：2689107