单壁碳纳米管储氢密度计算与分析

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.根据得到的管内外H2分子的分布规律,计算了H2分子密度分布曲线,对其结果给出了理论分析和物理解释,提出了单壁碳纳米管储氢的多层吸附机制,定量地计算了碳纳米管储氢量(wt.;).这些为进一步研究单壁碳纳米管储氢问题提供了必要的理论依据.     

单壁碳纳米管储氢过程的GULP模拟

利用GULP软件的蒙特卡罗模块对常温(T=300 K)下单壁碳纳米管(SWNT)管内物理吸附储氢进行了模拟.研究和讨论了5种半径的扶手椅管在T=300 K时的吸附等温线,给出了同一管径在不同压强下氢气分子在碳纳米管中分布变化的对比图,并对T=300 K,P=10 MPa时不同管径的碳纳米管储氢能力进行了对比.结果显示,常温下压强不大于10 MPa时单壁碳纳米管吸附氢气的质量储氢容量不超过1.8;,体积吸附量不超过22 kg·m-3,表明纯单壁碳纳米管具有一定的吸附氢气的能力,但其存储能力与美国能源部提出的研究目标尚有一定差距,还需通过改变碳纳米管的结构、特性等方法来改善其储氢特性.     

单壁碳纳米管中稳态机械波的激发条件研究

通过分子动力学模拟,对单壁碳纳米管中稳态机械波的激发条件进行了详细的研究.利用所施加的周期性机械外力,使单壁碳纳米管产生局部径向形变,该形变将以单壁碳纳米管的管壁为弹性媒质传播开去,从而在单壁碳纳米管中形成机械波;机械波产生的条件依赖于单壁碳纳米管波动系统能量的维持和受迫振动区域形变方向的控制;稳定机械波形成的最佳条件是碳纳米管的形变度和受迫振动频率之间的最优匹配,以及由此形成的单壁碳纳米管在周期性外力作用下产生的共振.     

单壁碳纳米管的稳定性研究

采用化学气相沉积法(CVD),以正己烷为碳源制备单壁碳纳米管(SWNTs),研究了纯化后的单壁碳纳米管在空气中的稳定性,分别对刚纯化后和在空气中放置5d、10d和15d后的样品进行了SEM、HRTEM和TG表征,结果发现单壁碳纳米管的氧化程度随在空气中放置时间的延长而增加,15d后几乎完全转化为无定形碳.表明单壁碳管在空气中不稳定,很容易氧化,需要密闭保存.     

单壁碳纳米管储氢中管外H2势能的拟合函数

H2分子与管的作用势能曲线是碳纳米管储氢模拟研究中的一项重点内容,建立势能曲线相应的函数表达式更具有理论价值和实际意义.本文从Lennard-Jones势出发,建立了H2分子与C原子之间的作用势能模型,借助于分子动力学(MD)方法,模拟计算了H2分子与管的作用势能曲线.通过对管外H2分子势能曲线的拟合,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相应的理论依据.     

单壁碳纳米管场发射计算

本文以Maxwell电磁场理论为基础,对金属型单壁碳纳米管场发射阴极尖端附近的电场进行了计算,给出了不同结构单壁碳纳米管尖端附近的电场分布,发现场强沿管的径向及轴向方向随与管尖端距离的增加而迅速下降,说明了碳纳米管产生的激发场为极强的小范围局域场。通过计算不同几何尺寸单壁碳纳米管的场增强因子随其长度、半径的变化曲线,发现单壁碳纳米管的场增强因子数值非常大,并且根据曲线的变化规律可知,越细越长的单壁碳纳米管具有更大的场增强因子,同时也表明了单壁碳纳米管作为场发射阴极具有低的阈值和大的发射电流密度。本文所得结果为单壁碳纳米管做场发射材料提供了理论参考。     

单壁碳纳米管能带及其特性研究

本文利用紧束缚模型,推导了单壁碳纳米管中π电子的能带表达式,在此基础上着重分析了以下特性:找出了金属性和半导体性单壁碳纳米管的判据;采用等能线图,在布里渊区内描述了π电子的能量分布;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.     

非手性型单壁碳纳米管的对称性分析

碳纳米管有着奇特的物理性质和化学性质,该性质与其特有的几何结构有着密切的关系.本文由点群理论出发,分析了非手性型即锯齿型(n,0)和扶手椅型(n,n)单壁碳纳米管所属的点群,并对这两种类型的单壁碳纳米管的对称元进行总结.分析出n为奇数与偶数时它分属两个不同的点群.并列举了n分别取6和5时(6,0),(6,6)与(5,0),(5,5)型单壁碳纳米管分别所属的点群为D6h和D5d,并给出相应的特征标表.     

单壁碳纳米管的电子结构与声子谱的第一性原理计算

针对三种结构类型的单壁碳纳米管的电子结构和声子谱,采用基于密度泛函理论的第一性原理以及CASTEP软件进行了理论计算.在完成建模和结构优化的基础上,对扶手椅型(10,10)、锯齿型(6,0)和螺旋型(4,2)单壁碳纳米管的电子能带及电子态密度、声子谱及声子态密度进行了理论计算,并对计算结果进行了理论分析.结果表明:(10,10)及(6,0)单壁碳纳米管无能量禁带,它们属于金属型管;而(4,2)单壁碳纳米管有一宽度为0.85 eV的能量禁带,它属于半导体型管.以上计算结果与用其它判据给出的结论相一致.在以上三种管的声子谱中,它们依次有120条、72条和168条(其中有简并情况)色散曲线,并且它们的声子态密度依次在频率41.88 THz、23.95THz和23.43 THz处出现最大值,即在这些频率附近的格波最多.这一计算结果与物理规律是一致的.     

单壁碳纳米管径向形变对介电常数和吸收光谱的影响

采用广义梯度近似方法中的PBE(J. Perdew、K.Burke和M. Ernzerhof)技术,对结构为(10,0)的锯齿型单壁碳纳米管在径向发生0.0～0.5扁率时的介电常数ε和光谱特性进行了理论研究.结果显示:(10,0)型单壁碳纳米管的径向形变对其介电常数峰值及光谱峰值的大小、位置和频率范围都有较大的影响.当入射光偏振方向垂直管轴时,介电常数峰值向低频区偏移,光谱峰值则依赖于初始位置.当入射光的偏振方向平行于管轴时,主要特征是介电常数幅值的变化和光谱范围的拓宽,同时,介电常数峰值向低频区偏移.     

Chirality-Dependent Resistivity in Carbon Nanotubes

Abstract

The phonon-mediated resistivity is calculated for metallic carbon nanotubes based on a continuum model for electrons and phonons. In armchair nanotubes, only twisting modes contribute to the resistivity, while both stretching and breathing modes are important in zigzag nanotubes. The resistivity shows chirality dependence at low temperatures where breathing modes are not populated but becomes independent of the chirality at high temperatures.     

定向排列纳米碳管

本文提出在层流场中定向排列纳米碳管的技术,并理论计算了在层流场中、电场中、强磁场中重新定向排列的机理,用机械拉伸法将CNT均匀分散并定向排列在PMMA中,得到各向异性且力学性能和电学性能都很好的CNTs/PMMA复合材料.此实验结果证明机械拉伸法与层流场中定向排列纳米碳管的理论机理相符.     

Gas Storage in Single-Walled Carbon Nanotubes

Abstract

X-ray diffraction (XRD) and electrical resistance measurement on single-walled carbon nan-otube (SWNT) samples prepared by the arc-discharge method are reported. The XRD profile of heat-treated sample indicated that air (oxygen, and/or nitrogen and/or water) can be condensed inside the SWNTs. We also found that the electrical resistance of SWNT soot is significantly affected by exposing to the oxygen gas and humid air.     

Resonance Raman Scattering of Br2 Doped Single-Walled Carbon Nanotube Bundles

Abstract

We have measured Raman spectra of bromine doped single-walled carbon nanotubes (SWNTs) using various laser lines to clarify the electronic states of the doped SWNT. In the case of evacuated sample after full doping, two breathing mode peaks were observed simultaneously by visible laser excitations. We assigned the higher frequency peak to the doped SWNT bundles, and the other peak to the undoped portions in the sample. Intensity ratio between them decreased with decreasing excitation energy, and in the infrared region, the breathing mode band of the doped bundle was not observed. These results can be explained by a simple rigid band model.