氢在石墨炔上的吸附及对其热导率影响的分子动力学研究

摘要

由于石墨烯的零带隙给其应用带来了一些限制，因此人们把研究目光锁定在其他与石墨烯类似的二维碳基材料。1987年，Baughman等人提出了Graphyne结构，它是碳家族的一类最新成员，完全由碳原子组成的一种二维结构，由于它的结构中包含sp和sp2这两种杂化的碳原子，因此具有非常丰富的碳化学键。研究发现，石墨炔不仅具有石墨烯的一些优良性能，比如很好的化学稳定性、热学稳定性以及高载流子迁移率，而且石墨炔存在天然带隙，具有半导体性质，使得石墨炔比石墨烯有更大的应用潜力。此外，由于石墨炔中乙炔链的存在，使得石墨炔有非常强的储存氢气的能力。之后，人们又想法对其性质进行调控。研究发现，氢化这种方式对石墨炔的各种性质都有非常明显的影响，比如氢化可以降低石墨炔的力学性质，可以调节石墨炔的带隙，可以明显地降低石墨炔的热导率。综上所述，氢化对石墨炔的性质有非常明显的调控作用，为了更好的了解以及利用这种材料，弄清楚石墨炔的氢化规律以及氢吸附可以降低它的热学性质的本质等问题尤为重要。本文中，我们应用了分子动力学的方法研究了氢在石墨炔上的吸附以及氢吸附对其热导率所产生的影响，研究的结果主要分为以下几部分：
　　1、采用分子动力学方法模拟了氢在石墨炔上的吸附与氢原子浓度以及体系温度之间的关系。我们发现氢在石墨炔上的吸附率随着氢原子浓度的增大而增大，它们之间几乎呈线性关系。但是由于石墨炔本身对氢化的抵抗性，在常温常压下，当不断增大氢原子浓度直至达到气态极限浓度时，氢原子的吸附率有一个最大值，这个值大约为37％。
　　2、我们发现，在同一温度下，尽管氢原子的浓度在不断变化，但是吸附在乙炔链和苯环上的氢原子个数总是呈现一定的比值，即所谓的相对吸附比，比如，在300K时，这一比值大约为7:3，在800K时这一比值大约是8:2。
　　3、我们研究了氢的吸附与温度之间的关系，发现随着温度的升高，相对吸附比也逐渐升高，也就是说，随着温度的升高，有相对越来越多的氢原子吸附在乙炔链上,在同样的氢原子浓度下，升高温度可以提高炔链上氢原子的相对吸附比。
　　4、我们利用NEMD研究了氢在石墨炔上的吸附对石墨炔热导率的影响，发现氢原子吸附在炔链碳原子和苯环碳原子，都会使得石墨炔的热导率降低，而且氢原子吸附在炔链上会导致石墨炔的热导率有更大程度的减小。当氢原子任意吸附在石墨炔上时，热导率刚开始急剧减小，之后趋于平缓。

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第 1 章 绪论

1.1 石墨炔的组成结构

1.2 石墨炔的各方面性质

1.2.1 石墨炔的电学、力学及光学性能

1.2.2石墨炔的热学性质

1.3氢吸附对石墨炔性质的影响

1.3.1氢吸附对石墨炔机械性质及电子性质的的影响

1.3.2氢化对石墨炔热性质的影响

1.4问题的提出及研究方法

1.4.1 问题的提出

1.4.2 研究方法

1.5本文的主要研究内容

第2章 石墨炔表面吸附氢能力的的分子动力学探讨

2.1 模型与模拟方法

2.2 结果与讨论

2.3 小结

第3章 氢吸附对石墨炔热导率影响的分子动力学模拟

3.1结构与模型

3.2模拟方法

3.3结果与讨论

3.4小结

第4章 总结与展望

4.1总结

4.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文