C-,60-及（5，5）椅式單壁碳納米管內(nèi)嵌有機(jī)小分子結(jié)構(gòu)的理論研究.pdf

1、Kroto等人在1985年首次發(fā)現(xiàn)了C60分子，Kraetschmer等人在1990年實(shí)現(xiàn)了其宏觀量生產(chǎn)。1991年S.Iijima人發(fā)現(xiàn)了碳納米管。從此，富勒烯和碳納米管所具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)與性質(zhì)將人們帶入嶄新的材料科學(xué)領(lǐng)域，也充分引起了科學(xué)家們廣泛的注意。1991年，第一個(gè)富勒烯包合物L(fēng)a@C82制備成功后，不僅掀起了富勒烯包合物的研究熱潮，而且納米微孔材料的中空管特性也使得人們想象在微孔介質(zhì)中吸附存儲(chǔ)氫氣、天然氣以及其他一些有機(jī)小分子

2、氣體。 本文用密度泛函理論(DFT)B3LYP方法，對(duì)富勒烯有機(jī)小分子包合物(C2H2@C60、C2H4@C60和C2H6@C60)和內(nèi)包合有機(jī)小分子的碳納米管復(fù)合物(C2H2@(5，5)SWNT、C2H4@(5，5)SWNT和C2H6@(5，5)SWNT)分別進(jìn)行了理論研究。其主要研究結(jié)果如下： 1.有機(jī)小分子在碳籠的中心時(shí)包合物最穩(wěn)定。在這種包合物中有機(jī)小分子是電子的受體，而碳籠則為電子的給體，這與金屬富勒烯包合物恰

3、恰相反。前線分子軌道分析和結(jié)合能分析都表明，這種包合物的形成過(guò)程為吸熱過(guò)程。雖然碳籠和有機(jī)小分子之間存在著排斥作用，且這種排斥作用引起了碳籠的形變和有機(jī)小分子鍵長(zhǎng)的縮短，但并沒(méi)有破壞其籠狀結(jié)構(gòu)。這說(shuō)明理論上C60可以很好地存儲(chǔ)C2H2，C2H4和C2H6等有機(jī)小分子在其籠里。但是因?yàn)樗鼈冎g有相互排斥作用，在實(shí)驗(yàn)合成時(shí)，如果將C60換成直徑大于9(A)的高碳籠或者采用化學(xué)開籠等特殊的合成方法會(huì)取得更佳效果。 2.中心摻雜物放在碳

4、納米管的管軸上的異構(gòu)體相對(duì)于摻雜物垂直于管軸的異構(gòu)體要穩(wěn)定。結(jié)合能研究預(yù)測(cè)內(nèi)嵌有機(jī)小分子碳納米管復(fù)合物的形成過(guò)程為吸熱過(guò)程；前線分子軌道研究表明有機(jī)小分子的插入會(huì)使其HOMO-LUMO能隙變大；有機(jī)小分子的插入會(huì)引起碳納米管直徑的輕微加大，來(lái)減少碳管張力，其形變程度按C2H2、C2H4、C2H6的順序依次增大；外圍碳納米管的存在會(huì)使內(nèi)嵌小分子的C-C、C-H鍵長(zhǎng)受到輕微壓縮，對(duì)鍵長(zhǎng)的壓縮程度也按內(nèi)嵌的分子為C2H2、C2H4、C2H6的