氢气分子与碳纳米管相互作用研究.ppt

氢气分子与碳纳米管相互作用研究 化工与制药工程学院 引言 研究背景 计算理论及软件 计算结果 结 论 目录 引 言 过程工业 产品过程 第一性原理计算 分子模拟技术 大幅降低开发过程中人力物力的消耗 技术进步 生产何种 产品 如何生产 产品 目的 满足性能 经济环境 市场等方 面的要求 降低开发风险 提高工作效率，缩短开发周期 碳纳米管简介 碳纳米管，又叫巴基管，是由石墨原子单层绕同轴缠绕而成或由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的管状物。其直径一般在一到几十个纳米之间。工业生产中的碳纳米管为黑色无味的粉末状，熔点/熔化范围预计3652-3697℃，密度在20℃时为2.1克/立方厘米。 碳纳米管 的特点 典型的层状中空结构特征，一般管的两端有端帽封口 重量轻，六边形结构连接完美 具有许多异常的力学、电学和化学性能 碳纳米管的分类 分类 结构特征 扶手椅形 锯齿形 手性 缺陷类型 完善碳纳米管 含缺陷碳纳米管 外形的均匀性和整体形态 直管型 碳纳米管束 Y型 公理假设 相关物质的形式理论体系 数学和逻辑演绎 物理模型近似，二次形式化计算 理论预测值 实验结果 核对 第一性原理计算 计算理论 Materials Studio Materials Studio是材料模拟软件，可以使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究。模拟的内容包括了催化剂、聚合物、固体及表面、晶体与衍射、化学反应等材料和化学研究领域的主要课题。 DMol3 DMol3是独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一的可以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、分子反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合热等性质。 计算软件简介 材料 的导 电性 取决于 电子的数量 能带理论是用量子力学的方法研究固体内部电子运动的理论。 当电子从“价带”获得能量而跳跃至“传导带”时，电子就可以在带间任意移动而导电。 常见金属材料： 传导带与价带之间能隙小 电子容易 跳跃至传导带 绝缘材料： 能隙很大（通常大于9电子伏特） 电子很难 跳跃至传导带 半导体： 半导体材料的能隙约为1至3电子伏特 适当条件的能量激发，或是改变其能隙之间距 跳跃至传导带 计算步骤 Materials studio平台上构建CNT（5,0） 对构建好的CNT（5,0）用DMol3进行结构优化 对优化好的CNT（5，0）计算能带结构和态密度 在Materials studio平台上构建氢分子，并进行优化 将优化好的氢分子与优化过的CNT（5,0）放在具有周期性的单元晶胞中，用DMol3进行结构优化 计算CNT-H2体系的能带结构和态密度 在优化过的CNT（5,0）上修饰银原子，用DMol3进行结构优化 计算CNT-Ag体系的能带结构和态密度 将优化好的氢分子和优化后的CNT-Ag放在周期性的单元晶胞中，用DMol3进行结构优化 计算CNT-Ag-H2体系的能带结构和态密度 CNT结构优化前后示意图 键号 键长 键号 键长 1-2 1.403 2-3 1.420 3-4 1.403 4-5 1.403 5-6 1.420 6-1 1.403 键号 键长 键号 键长 1-2 1.421 2-3 1.420 3-4 1.417 4-5 1.416 5-6 1.420 6-1 1.403 纯碳纳米管 计算结果 由计算结果可知，计算时选取的费米能级位置在-0.179Ha。在该位置处态密度不等于零，说明(5,0)CNT在该计算条件下是金属性材料。 态密度图 键名 键长 键名 键长 H2-1 3.713 H2-2 3.690 H2-3 3.217 H2-4 3.495 H2-5 3.520 H2-6 3.271 键名 键长 键名 键长 H2-1 2.460 H2-2 1.914 H2-3 1.955 H2-4 2.041 H2-5 2.085 H2-6 2.529 碳纳米管-氢气的相互作用 由计算结果可知，计算时选取的费米能级位置在-0.179Ha。在该位置处态密度不等于零，说明吸附氢分子(5,0)CNT在该计算条件下是金属性材料。因为态密度图变化不明显，所以没有发生电子转移。 键名 键长 键名 键长 Ag-1 2.417 1-2 1.608 2-3 1.617 3-4