单壁碳纳米管吸附氢气的计算机模拟

采用巨正则系统的蒙特卡罗方法（GCMC）模拟常温（T－293K）时氢气在单壁碳纳米管中的吸附过程,氢气分之间、氢气分子与碳原子之间的相互作用采用Lennard-Jones模型,其中,将氢气对整个碳纳米管中所有碳原子的作用进行加和,以获得氢气分子与单根给定半戏的碳纳米管的相互作用模型,研究和讨论了5种半径的碳纳米管在293K时的吸附等温线以及在293K和5MPa时给定半径的碳纳米管的吸附量随管间距离的变化。     

单壁碳纳米管中甲烷吸附的分子模拟

采用巨正则系统MonteCarlo方法研究了甲烷在单壁碳纳米管(Singlewallcarbonnanotube,SWNT)中于低温74.05K下的吸附等温线及吸附机理,发现在两个较小的孔径(1.225nm和1.632nm)下单壁碳纳米管中甲烷的吸附有着明显的微孔所独有的“填充效应”,而在2.04nm以上的孔的吸附中会出现毛细凝聚现象。通过模拟知道发生毛细凝聚的必要条件是孔内能至少容纳下两层粒子,此外还导出在恒定温度下毛细凝聚吸附量与SWNT孔径关系。本文还模拟了常温300K下甲烷在SWNT内的吸附,对比了2.04nm和4.077nm两种孔径的SWNT吸附甲烷的等温线,推荐在4.077nm孔中的适宜吸附存储压力为5.0～6.0MPa,吸附质量分数可达16%～19%.     

单壁碳纳米管拉伸变形的原子尺度模拟

The molecular dynamics method was adopted to investigate the tension deformation for SWCNTs with different chiralities and radius. The results show that nanotubes have an extremely large breaking strain. Carbon nanotubes are completely ductile before their structural defects appear. Through tracing the evolution of the spacial configuration of a micro structural cell of SWCNTs, it is found that the torsion deformation results in the change of structural symmetry. Thus the load is no longer well distributed. The structural defects will occur with further loading. The systematic energy change of SWCNTs is observed. It can be seen that there is a structural transformation around the initial vacancy defects when the axial tension strain reaches a certain value. The two adjacent hexagons change to one pentagon and one heptagon (also called the Stone Wales transformation). The 5 7 configuration makes strain energy release, and the systematic energy falls. This configuration is more preferable from the viewpoint of the energy. The results also show that fewer defects have weak influence on the mechanical properties of SWCNTs under the present initial vacancy defect condition.     

单壁碳纳米管上毒性苯气体净化的分子模拟

采用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)方法研究了空气中微量苯组分在单臂碳纳米管(SWNTs)上的吸附净化. 模拟表明, 具有较大孔径的(20,20)纳米管比较适合吸附纯苯蒸汽, 而对于移除空气中的毒性苯物质, 苯的吸附选择性分别在(12,12)纳米管及4.0 MPa时和(18,18)纳米管及0.1 MPa时出现最小值和最大值. 为了解释这一异常行为, 我们进一步分析了N₂-O₂-C₆H₆混合物的局部密度分布、吸附分子构型和概率密度分布, 发现(18,18)纳米管内外完全被苯分子占据, 而对于(12,12)纳米管, 由于存在更强的吸附质-吸附剂相互作用, 空气分子更倾向于吸附在管与管之间的间隙. 此外, 吸附分子的空间有序参数表明大多数苯分子采取“平躺”在纳米管表面的定位, 而线性的N₂和O₂分子则多数平行于孔轴方向. 最后研究了温度和苯分子主体相浓度对分离效果的影响. 我们发现较大孔中的选择性随着温度的增加比小孔下降更加明显. 与此对比, 主体相苯浓度对小孔中的选择性起到更加重要的作用.     

单壁碳纳米管的手性测量

单壁碳纳米管的制备方法主要包括物理法和化学法两种,不同制备方法的产物中包含很多种不同手性指数的单壁碳纳米管及杂质,而不同手性的单壁碳纳米管其作用完全不同,从而有不同的应用。采用化学方法——钴钼催化剂气相沉积法和物理方法——激光烧蚀气相沉积法制备单壁碳纳米管,用紫外–可见–近红外吸收光谱、荧光光谱及拉曼光谱法分别对其进行手性测量。结果表明,钴钼催化剂气相沉积法制得样品富含半导体型单壁碳纳米管,而激光烧蚀气相沉积法制得样品中主要为金属型单壁碳纳米管。分别得到了两种制备方法样品的手性分布。     

单壁碳纳米管的结构修饰

由于单壁碳纳米管具有独特的结构、电学及机械等性能，可望在许多新领域得 到应用，已引起广泛的关注。但由于单壁碳纳米管不溶于水和常见的有机溶剂，极 大地制约了其应用性能的研究。随着单壁碳纳米管制备技术的不断完善，其研究方 向已开始转向结构修饰及应用性能的研究。主要介绍近年来单壁碳纳米管结构修饰 方面的最新发展状况，重点讨论化学功能化及物理吸附。     

细胞在单壁碳纳米管无纺膜支架上的生长行为

以具有纳米拓扑结构特征的单壁碳纳米管无纺膜材料为支架, 选择在促进组织修复和再生中起重要作用的成纤维细胞株作为实验细胞, 研究了该材料对细胞生长行为的影响. 通过X射线光电子能谱分析, 表征其在细胞培养液中浸泡后的表面化学组成; 通过细胞粘附、增殖实验以及细胞骨架发育观察, 探讨了材料的微观纳米拓扑结构对细胞的作用, 以及与碳纤维、聚氨酯浇铸膜和空白培养板材料对细胞作用的差异和可能的机理; 并采用双层细胞培养装置, 研究了该材料通过细胞通讯途径对在其它材料上生长的细胞增殖的影响. 实验结果表明, 单壁碳纳米管无纺膜材料为细胞提供了十分接近天然细胞外基质的人造微环境, 具有显著促进细胞粘附和长时间增殖的功能, 而且生长在该支架上的细胞可能通过旁分泌方式将某些化学介质分泌到细胞外液中, 经局部扩散作用于在其它材料上生长的细胞, 促进它们的增殖.     

单壁碳纳米管的轴向能带工程

单壁碳纳米管具有优异的电子学特性,是制备新一代高性能集成电路的重要材料.碳纳米管芯片之路存在诸多挑战,包括直径和手性的控制生长方法、金属性和半导体性单壁碳纳米管的分离方法、器件加工与集成方法等.这些课题从本质上讲大多属于化学问题,因此碳纳米管芯片研究为化学家们提供了新的机遇与挑战.过去10年来,我们围绕单壁碳纳米管的轴向能带工程这一研究思路,开展了一系列碳纳米管芯片的基础探索工作,发展了若干有效的单壁碳纳米管局域能带的调控方法,包括温度阶跃生长法、脉冲供料生长法、基底调控法以及形变调控法等.本文系统地阐述了这些局域能带调控方法,为使读者对该领域的研究进展有一个较为全面的了解,文中对其他课题组开展的代表性工作也给予了综述性介绍.     

多壁碳纳米管互连的单壁碳纳米管晶体管的频率特性

用多壁碳纳米管(MWCNTs)作为互连线制备出了单壁碳纳米管场效应晶体管(SWCNT FETs), 对比研究了用多壁碳纳米管作为互连线和用金属作为互连线的两种情况. 结果表明, 二者的直流(DC)性能基本一致, 而用多壁碳纳米管作为互连线的交流(AC)性能略优于用金属作为互连的情况. 交流测量表明, 至少在20 MHz的频率下, 多壁碳纳米管互连的单壁碳纳米管晶体管仍有很好的响应速率, 器件能够正常工作.     

吡硫醇在单壁碳纳米管修饰电极上电化学行为的研究

研究了吡硫醇在单壁碳纳米管修饰电极上的电化学行为,提出了一种检测吡硫醇的电化学方法.在0.1 mol/L的NaAc-HAc(pH 4.0)缓冲溶液中,吡硫醇在单壁碳纳米管修饰电极上出现一灵敏的氧化峰,峰电位位于0094 V处.与裸玻碳电极相比,单壁碳纳米管修饰电极显著提高了吡硫醇的氧化峰电流.在最佳实验条件下,吡硫醇浓度在9.9×10~(-6)～5.7×10~(-4) mol/L范围内与峰电流呈良好的线性关系,检出限为2.98×10~(-7) mol/L.吡硫醇在单壁碳纳米管修饰电极上的氧化过程受吸附控制,为1电子2质子的过程.     

激光辐照对二茂铁掺杂单壁碳纳米管的影响

以单壁碳纳米管和二茂铁为原料, 采用气相扩散法合成填充率较高的二茂铁掺杂单壁碳纳米管(Fc@SWNTs)的复合材料. 考察激光辐射对样品的影响, 结果表明, 当激光功率达到20 mW时, 对样品进行10 s辐照, 样品的拉曼光谱出现了稳定的新峰. 对比分析发现, 二茂铁在激光辐照后形成了碳化铁, 同时部分碳源转化成碳管形成了双层碳管. 表明碳化铁是二茂铁裂解向内层碳管转化的中间产物.     

有限长碳纳米管中的分子输运

采用非平衡分子动力学方法研究了有限长度、开口单壁碳纳米管中氦分子的输运过程.结果表明氦分子在小管径碳纳米管中主要以超扩散方式运动.当碳纳米管直径大于某一阈值时发生从超扩散向弹道输运方式的转变,而随着管径的继续增大,分子输运重新以超扩散的方式进行.这种转变与纳米管端口效应有密切的联系.当碳纳米管内部分子通过弹道方式高速运动时,这种运动在端口处由于端部势垒的影响而被抑制,造成端部阻塞现象,其本质是受端部势垒和碳纳米管管径共同影响的结果.     

Gas Sensors Based on Single-Wall Carbon Nanotubes

Single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) have a high aspect ratio, large surface area, good stability and unique metallic or semiconducting electrical conductivity, they are therefore considered a promising candidate for the fabrication of flexible gas sensors that are expected to be used in the Internet of Things and various portable and wearable electronics. In this review, we first introduce the sensing mechanism of SWCNTs and the typical structure and key parameters of SWCNT-based gas sensors. We then summarize research progress on the design, fabrication, and performance of SWCNT-based gas sensors. Finally, the principles and possible approaches to further improving the performance of SWCNT-based gas sensors are discussed.     

异型碳纳米管储氢性能的分子动力学模拟研究

采用分子动力学(MD)方法对三种理想的Y型碳纳米管[记为Y(4,4), Y(6,6), Y(10,0)]和三种L型碳纳米管[记为L(9,0), L(6,6), L(10,0)]之储氢性能进行了模拟研究, 并与相应的直线型碳纳米管的储氢能力进行了比较, 同时考察了温度、碳纳米管的直径和螺旋性以及缺陷的位置和大小对异型碳纳米管储氢性能的影响. 结果表明, 在室温和低温条件下, 异型碳纳米管的储氢量高于直线型碳纳米管的储氢量, 且其储氢量大小随温度的降低和碳管直径的增大而增加, 椅式碳纳米管的储氢性能优于齿式碳纳米管, 而缺陷的位置和大小对异型碳管之储氢性能的影响则因碳管的形貌和直径的大小不同而存在差异.     

碳纳米管对苯胺的吸附行为

碳纳米管有较大的比表面,有利于用作吸附剂。当前研究主要集中在对气体,尤其是对H2气的吸附。近年来,也有人将碳纳米管应用于环境保护领域,Long等使用碳纳米管除去二恶英,Li等用碳纳米管吸附溶液中的Cd^2 都取得了满意的效果。苯胺类化合物是国家严格控制的一类污染物,使用碳纳米管对苯胺的吸附研究尚未见报道。     

水中受拉伸负载下单壁纳米碳管机械性质的分子动力学研究

利用分子动力学方法研究了(5,5)扶手椅型和(10,10)锯齿型纳米碳管在水中受拉伸负载下的机械性质.通过计算纳米碳管中氧和氢原子的局部密度分布研究了限制效应.结果表明,碳管在水中的杨式系数与在真空下相同,而碳管在水中的拉伸应力小于在真空中的.     

分子动力学模拟研究纳米碳管中甲醇-水混合溶液的结构与输运性质

利用分子动力学模拟方法,对比考察了平衡条件、外压作用、梯度电场作用下,摩尔比为1:1的甲醇-水混合溶液在纳米碳管(CNT)中的静态结构以及输运行为.研究发现:在平衡体系与外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现出明显的不混溶现象,甲醇主要分布于管壁附近,水分子主要分布于纳米碳管轴心附近;而在梯度电场作用下,纳米碳管由疏水性向亲水性转变,更多的水分子分布于管壁,导致纳米碳管内甲醇-水的不混溶现象消失.另一方面,在外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现单向移动;而在梯度电场下,甲醇与水呈现快速的双向移动,其流通量较相应外压作用体系高出近一个数量级,但由于双向的流通量大小相近,导致净流通量与外压作用下的净流通量差异不大.     

分子动力学模拟研究纳米碳管中甲醇-水混合溶液的结构与输运性质

利用分子动力学模拟方法,对比考察了平衡条件、外压作用、梯度电场作用下,摩尔比为1：1 的甲醇-水混合溶液在纳米碳管（CNT）中的静态结构以及输运行为. 研究发现：在平衡体系与外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现出明显的不混溶现象,甲醇主要分布于管壁附近,水分子主要分布于纳米碳管轴心附近;而在梯度电场作用下,纳米碳管由疏水性向亲水性转变,更多的水分子分布于管壁,导致纳米碳管内甲醇-水的不混溶现象消失. 另一方面,在外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现单向移动;而在梯度电场下,甲醇与水呈现快速的双向移动,其流通量较相应外压作用体系高出近一个数量级,但由于双向的流通量大小相近,导致净流通量与外压作用下的净流通量差异不大.     

受限于纳米碳管中的乙醇分子的结构和扩散的分子模拟研究

利用分子模拟研究了常温常压下受限于(8,8) (管径1.081 nm)和(15,15) (管径 2.035 nm)单壁纳米碳管中的乙醇分子. 对受限分子的径向密度分布和氢键等静态性质以及扩散性质进行了分析. 结果显示在管内乙醇分子的平均氢键数目和主体相一致. 乙醇分子在(8,8)碳管内具有高度有序的结构, 而在(15,15)碳管内由于空间的增大导致结构有序度的降低, 其中分子取向已呈随机分布. 进一步对扩散系数的分析发现, 在管内乙醇分子的轴向扩散系数低于主体相, 特别在(8,8)碳管内乙醇分子几乎丧失了轴向扩散能力.