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本文主要研究了碳纳米管的制备、储氢与其能带计算问题。
文中首先对纳米材料作一简介,然后综述了碳纳米管的结构、制备、物性、应用现状,最后阐述了“碳纳米管的制备、储氢与其能带计算”选题的意义。
碳纳米管具有着奇异的物理和化学性质,这与其几何结构是密切相关的。为了生动形象地揭示其结构,文中用分子静力学方法对碳纳米管结构进行了模拟计算。给出了扶手椅型、锯齿型和螺旋型三种单壁碳纳米管的三维立体结构。利用单壁碳纳米管的模拟结果,对多壁碳纳米管和管束的构型进行了组合模拟。模拟效果形象、逼真,为碳纳米管研究者带来了直观的效果。
文中利用等离子体电弧法进行了碳纳米管的制备研究。制备中,以石墨粉为原料,Fe/Co/Ni做催化剂,S为助长剂,H2/Ar和H2/He为缓冲气体,进行了多组实验。利用TEM、SEM检测设备对产品进行了检测。检测结果表明:制备碳纳米管的实验是成功的,为制备优质的碳纳米管奠定了良好的实验基础。
文中进行了碳纳米管的电化学储氢研究。整个实验是在中国科学院金属研究所完成的。用电化学方法将碳纳米管储氢,是把碳纳米管当作储氢负极,形成Ni-MH电池。实验中,对Ni-MH电池充放电的多个(有的达到50个)循环进行了测试,通过测量电池的充放电容量和能量,来分析碳纳米管的储氢性能。测试结果表明:相对每克碳纳米管,当充电电流为120mA时,电池容量可达126.368mA.h.g-1;而且电池放电非常平稳;放电平台利用率可高达97%。可见,碳纳米管是一种很有前途的储氢材料,本项研究为利用碳纳米管制做储氢电池提供了实验依据。
利用碳纳米管储氢是近年来纳米材料应用领域的一项热点内容。本文从Lennard-Jones势出发,借助于分子动力学(MD)方法,对单壁碳纳米管的储氢动态过程进行了模拟计算。首先,建立了H2分子之间和H2分子与C原子之间的作用势能模型,生动形象地描述了单壁碳纳米管的储氢行为;为了研究碳纳米管吸附氢后H2分子的分布情况,定义了碳纳米管的储氢密度和吸附半径,创新性地提出了碳纳米管的多层吸附机制,由此很好地解释了碳纳米管储氢的规律;由于势能模拟曲线往往缺少相应数学表达式的描述,因此文中对管外H2分子的势能曲线进行了拟合,找到了最佳参数,建立了管外统一形式的势能数学表达式,为碳纳米管的储氢研究提供了数学依据,目前还没有发现该成果的报道。
固体能带理论无疑是凝聚态物理中最成功的理论之一,是固体电子论的支柱。固体的许多基本物理性质,原则上都可以由固体的能带理论阐明和解释。因此,本文从紧束缚模型出发,利用量子理论和固体理论,推导了单壁碳纳米管中π电子的能带表达式。在此基础上,计算了π电子沿特殊方向的能带曲线,制作了彩色平面图、彩色立体图和等能线图,直观、形象地揭示了π电子能带在布里渊区的分布;计算了π电子在简约布里渊区具有高对称性点的有效质量和速度,这对研究碳纳米管的动力学和导电性问题具有一定的实际意义;有创意地推导了金属性和半导体性单壁碳纳米管的判据,得知碳纳米管的结构参数m、n只要满足条件m-n=±3J、2m+n=±3J、m+2n=±3J(J为整数)中的之一,则这种碳纳米管就是金属性的,否则是半导体性的,这对碳纳米管在电子学中的应用起到了理论指导作用;建立了椅型管沿圆周方向波矢的量子化公式,得出了π电子相应的能带表达式及其曲线,并进行了深入的分析和讨论,为研究椅型管的电子结构提供了必要的理论工具。