水和二氧化碳在端口改性碳納米管中的遷移性質(zhì)研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，全球能源危機(jī)日益顯現(xiàn)，各國(guó)對(duì)新能源的需求十分迫切。燃料電池作為一種高效無(wú)污染的能源得到了極大的重視。在燃料電池中的還原-氧化化學(xué)反應(yīng)需要貴金屬加以催化，其價(jià)格高昂阻礙了燃料電池的大規(guī)模商業(yè)化利用。盡管在眾多的理論中，碳納米管的結(jié)構(gòu)被描述為開(kāi)口結(jié)構(gòu)，但是其需要在端口的懸空鍵添加分子官能團(tuán)[如氫原子(-H)、羥基(-OH)、羧基(-COOH)]才能形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。碳納米管改性端口的分子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電子云的分布會(huì)影響粒子在端口的

2、遷移性質(zhì)。燃料電池的反應(yīng)產(chǎn)物主要包括水和二氧化碳，所以本文的研究重點(diǎn)是使用分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，分析了形態(tài)結(jié)構(gòu)（比如碳納米管的直徑、端口官能團(tuán)的種類和外場(chǎng)條件（比如溫度和電場(chǎng)）對(duì)水分子和二氧化碳在官能團(tuán)化碳納米管端口的遷移性質(zhì)。
　　構(gòu)建直徑分別是8.14[CNT(6,6)]、10.85[CNT(8,8)]、13.56[CNT(10,10)]、16.27CNT[(12,12)]、18.98[CNT(14,14)]的五種“扶手椅”型

3、單壁碳納米管，添加三種的不同官能團(tuán)-H、OH、-COOH，分別充入1.0g/cm3的水分子和1.429g/cm3的CO2分子，模擬分析碳納米管直徑和官能團(tuán)種類對(duì)水分子和二氧化碳分子在碳納米管端口的遷移性質(zhì)。結(jié)果表明：當(dāng)碳納米管的直徑增加時(shí)，水分子和二氧化碳通過(guò)官能團(tuán)化碳納米管的頻率依次增加，而且有利于吸附水分子和二氧化碳；三種官能團(tuán)的影響效果各不相同，其中羧基的阻力最大，主要是由于其和另外兩種的官能團(tuán)相比，它具有更長(zhǎng)的鏈長(zhǎng)。但是氫基和羥

4、基的影響效果要隨著碳納米管的直徑而發(fā)生變化，當(dāng)碳納米管的直徑較小時(shí)，氫基在端口的擺動(dòng)劇烈程度遠(yuǎn)大于羧基的，所以導(dǎo)致其有效的流動(dòng)面積減少，因而此時(shí)的羧基更有利于水分子和二氧化碳的擴(kuò)散，但是當(dāng)碳納米的直徑增加時(shí)，盡管氫基的擺動(dòng)速度大于羧基，但是羧基的鏈長(zhǎng)更長(zhǎng)，此時(shí)它占主要的決定因素，所以氫基更有利于水分子和二氧化碳的擴(kuò)散；隨著碳納米管直徑的增加，水分子和二氧化碳會(huì)在碳納米管的內(nèi)部形成不同的環(huán)狀排列，而且逐漸的接近無(wú)序狀態(tài)，這說(shuō)明隨著碳納米管

5、直徑的增加，其在碳納米管的內(nèi)部逐漸接近于自然狀態(tài)。
　　選擇端口改性是-H的碳納米管，分析了溫度的影響效應(yīng)。結(jié)果表明：隨著溫度的升高，水分子和二氧化碳通過(guò)官能團(tuán)化碳納米管端口的頻率隨之增加，但是溫度對(duì)水分子在端口的擴(kuò)散頻率更加明顯。水分子和二氧化碳在碳納米管中的吸附個(gè)數(shù)發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的升高，水和二氧化碳在碳納米管中的吸附個(gè)數(shù)幾乎不發(fā)生改變，這說(shuō)明溫度的升高不會(huì)導(dǎo)致水分子和二氧化碳在碳納米管中發(fā)生結(jié)構(gòu)變化。隨著溫度的升高，整個(gè)系統(tǒng)的

6、熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，水分子和二氧化碳的擴(kuò)散系數(shù)也隨之增加,這說(shuō)明了溫度的升高有利于水分子和二氧化碳在碳納米管內(nèi)的擴(kuò)散。
　　選擇端口改性是-H的碳納米管，分析了電場(chǎng)的影響效應(yīng)。結(jié)果表明：當(dāng)碳納米管的直徑相同時(shí)，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，水分子和二氧化碳遷移官能團(tuán)化碳納米管的頻率也隨之增加，這說(shuō)明電場(chǎng)強(qiáng)度的增加有利于水和二氧化碳通過(guò)官能團(tuán)化碳納米管端口。當(dāng)施加電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，由于電場(chǎng)的存在，會(huì)導(dǎo)致水分子在碳納米管內(nèi)部發(fā)生極化現(xiàn)象，從而引起水分子在碳納