随着经济的发展,全球能源危机日益显现,各国对新能源的需求十分迫切。燃料电池作为一种高效无污染的能源得到了极大的重视。在燃料电池中的还原-氧化化学反应需要贵金属加以催化,其价格高昂阻碍了燃料电池的大规模商业化利用。尽管在众多的理论中,碳纳米管的结构被描述为开口结构,但是其需要在端口的悬空键添加分子官能团[如氢原子(-H)、羟基(-OH)、羧基(-COOH)]才能形成稳定的结构。碳纳米管改性端口的分子拓扑结构和电子云的分布会影响粒子在端口的迁移性质。燃料电池的反应产物主要包括水和二氧化碳,所以本文的研究重点是使用分子动力学模拟的方法,分析了形态结构(比如碳纳米管的直径、端口官能团的种类和外场条件(比如温度和电场)对水分子和二氧化碳在官能团化碳纳米管端口的迁移性质。构建直径分别是8.14?[CNT(6,6)]、10.85?[CNT(8,8)]、13.56?[CNT(10,10)]、16.27?CNT[(12,12)]、18.98?[CNT(14,14)]的五种“扶手椅”型单壁碳纳米管,添加三种的不同官能团-H、OH、-COOH,分别充入1.0g/cm3的水分子和1.429g/cm3的CO2分子,模拟分析碳纳米管直径和官能团种类对水分子和二氧化碳分子在碳纳米管端口的迁移性质。结果表明:当碳纳米管的直径增加时,水分子和二氧化碳通过官能团化碳纳米管的频率依次增加,而且有利于吸附水分子和二氧化碳;三种官能团的影响效果各不相同,其中羧基的阻力最大,主要是由于其和另外两种的官能团相比,它具有更长的链长。但是氢基和羟基的影响效果要随着碳纳米管的直径而发生变化,当碳纳米管的直径较小时,氢基在端口的摆动剧烈程度远大于羧基的,所以导致其有效的流动面积减少,因而此时的羧基更有利于水分子和二氧化碳的扩散,但是当碳纳米的直径增加时,尽管氢基的摆动速度大于羧基,但是羧基的链长更长,此时它占主要的决定因素,所以氢基更有利于水分子和二氧化碳的扩散;随着碳纳米管直径的增加,水分子和二氧化碳会在碳纳米管的内部形成不同的环状排列,而且逐渐的接近无序状态,这说明随着碳纳米管直径的增加,其在碳纳米管的内部逐渐接近于自然状态。选择端口改性是-H的碳纳米管,分析了温度的影响效应。结果表明:随着温度的升高,水分子和二氧化碳通过官能团化碳纳米管端口的频率随之增加,但是温度对水分子在端口的扩散频率更加明显。水分子和二氧化碳在碳纳米管中的吸附个数发现,随着温度的升高,水和二氧化碳在碳纳米管中的吸附个数几乎不发生改变,这说明温度的升高不会导致水分子和二氧化碳在碳纳米管中发生结构变化。随着温度的升高,整个系统的热运动增强,水分子和二氧化碳的扩散系数也随之增加,这说明了温度的升高有利于水分子和二氧化碳在碳纳米管内的扩散。选择端口改性是-H的碳纳米管,分析了电场的影响效应。结果表明:当碳纳米管的直径相同时,随着电场强度的增加,水分子和二氧化碳迁移官能团化碳纳米管的频率也随之增加,这说明电场强度的增加有利于水和二氧化碳通过官能团化碳纳米管端口。当施加电场强度时,由于电场的存在,会导致水分子在碳纳米管内部发生极化现象,从而引起水分子在碳纳米管内的结构发生变化,但是其不会引起二氧化碳出现极化现象,不会导致其在碳纳米管内发生结构变化。当碳纳米管直径相同时,随着电场强度的增强,水分子和二氧化碳在碳纳米管内的扩散能力也随之增强,这说明施加的电场在碳纳米管内形成了有利于水分子和二氧化碳的扩散条件,进而提升了水分子和二氧化碳的扩散系数。