碳纳米管吸附海水中碱金属元素的理论计算研究

摘要

在各种各样的纳米材料中,碳纳米管因其独特的几何结构和物理、化学特性而备受关注。碳纳米管吸附特性是碳纳米管改性和实际应用的基础,特别是碳纳米管对碱金属的吸附在动力电池和海水淡化方面具有巨大的应用前景。本论文中,运用第一性原理计算研究了碳纳米管对锂、钠和铯等碱金属原子的吸附,以及水分子对碳纳米管吸附碱金属的影响。主要内容如下:
　　 1.碳纳米管吸附碱金属原子。碳纳米管对碱金属的吸附依赖于碳纳米管与碱金属的特性。完整的戴帽的(9,0)碳纳米管比(5,5)碳纳米管对碱金属的吸附能要大;相对于锂、钠原子,原子半径较大的铯原子更容易吸附;在碳纳米管形成碳原子空位缺陷以后,碱金属原子向缺陷处移动,吸附更稳定,特别是相对于钠、铯原子,原子半径较小的锂原子更容易吸附。
　　 2.水分子对碳纳米管吸附碱金属的影响。水分子在完整的(5,5)或(9,0)碳纳米管尖端的吸附是稳定的,但吸附能较小。吸附水分子之后,对于完整的(5,5)/(9,0)单壁碳纳米管,铯原子的吸附能最大,钠原子的吸附能最小;但是形成缺陷以后,锂原子的吸附能最大,钠原子的吸附能最小。这说明缺陷的吸附水分子的碳纳米管更容易吸附锂原子,这一结果有望应用于碳纳米管在海水中对碱金属的选择性吸附中。
　　 3.吸附碱金属对碳纳米管本身的影响。碳纳米管吸附碱金属原子后功函数显著降低,并与被吸附碱金属原子的电负性成线性关系,碱金属原子的电负性越大,碳纳米管功函数也越大。碳纳米管的功函数可以通过碳纳米管吸附不同的碱金属原子来进行调控。在吸附了碱金属以后,半导体性(5,5)碳纳米管转变为金属性。功函数的降低主要来自于吸附碱金属以后碳纳米管和碱金属原子之间电荷转移所造成的费米能级的提高,而诱导偶极矩所造成的真空能级的变化对功函数的影响较小。