碳纳米管吸附锂的第一性原理计算

摘要

碳纳米管因其特有的物理、化学性质及其新颖的结构和在未来高科技领域的许多潜在应用价值，迅速在世界范围内成为材料科学领域的研究热点，成为最典型的和最具有代表性的纳米材料之一。但是纯净的碳纳米管的应用是有限的，当对其进行掺杂、取代和修饰以后，它的功能和应用范围将会得到大大的提高。 本论文工作目的在于通过基于量子力学第－性原理的理论计算，研究掺氧前后碳纳米管对锂的吸附特性和吸附锂对碳纳米管性质所造成的影响，为进一步研究不同碳纳米管对碱金属吸附的选择性、吸附能力和吸附位置以及不同的碱金属离子对不同碳纳米管的影响打下基础。计算模拟结果对实验的指导和新材料的设计有着重要的意义。 本论文共分为五个部分。 第一章概述了碳纳米管的基本知识，如碳纳米管的发展历程、结构分类、基本性质与应用、制备方法，还介绍了锂吸附的研究进展，最后简要论述了本论文研究的方法、目的与意义。 第二章较为详细地介绍了本论文计算所用的基于密度泛函理论的第－性原理并概述了基于密度泛函理论开发的多种计算软件，重点介绍了所用的PWSEF软件。 第三章计算并探讨了(3，3)碳纳米管在吸附锂前后电子结构和性质的变化。交换－关联能的修正采用的是PBE泛函。选取2个周期的(3，3)单壁碳纳米管，一共24个原子，初始值键长1.42A，每个周期碳纳米管长2.45951225A，在计算过程中选取真空层大于10A。计算中采用6个k点来抽样管轴方向一维布里渊区，即K点网格为1×1×6，截断能取408eV，力收敛条件0.05eV/A，能量收敛条件0.005eV。对计算数据运用嘶origin画图软件或。matlab进行绘图。通过对吸附能、态密度和能带结构的计算得知碳纳米管管外吸附锂比管内吸附容易。 第四章计算并探讨了掺杂了一个氧原子的碳纳米管在吸附锂前后电子结构和性质的变化。计算中采用12个k点来抽样管轴方向－维布里渊区，即k点网格为1×1×12，截断能取400eV，力收敛条件0.02eV/A，能量收敛条件0.002eV。从吸附能、态密度和能带结构的计算结果可以看出掺－个氧原子后碳纳米管吸附锂更加容易，并且电子结构发生了较大改变；管外吸附锂比管内吸附也容易，可能性更大。 第五章对本论文工作做了一个总结。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

引言

1.1碳纳米管(CNT，Carbon Nanotube)发展历程

1.2碳纳米管结构和分类

1.3碳纳米管的基本特性及其应用

1.3.1力学性能

1.3.2热学性能

1.3.3电学性能

1.3.4光学性能

1.3.5化学性能

1.3.6吸附性能

1.4碳纳米管的制备

1.5碳纳米管吸附锂的研究发展

1.6本论文工作的目的和意义

1.7本论文的内容安排

第二章 第一性原理计算和理论基础

2.1引言

2.2非相对论近似

2.3 Born-Oppenheimer绝热近似

2.4 Hartree-Fock近拟

2.5 Thomas-Fermi模型

2.6 Hohenberg-Kohn定理

2.7 Kohn-Sham方法

2.8交换相关能泛函

2.8.1局域密度近似(LDA，Local Density Aproximation)

2.8.2广义梯度近似(GGA，Generalized Gradient Aproximation)

2.9基于密度泛函理论的计算方法介绍

2.9.1平面波方法

2.9.2赝势方法

2.10能带结构与态密度

2.11常用计算软件

第三章 单壁碳纳米管吸附锂的计算分析

3.1计算模型

3.2计算结果

3.2.1 吸附能

3.2.2态密度

3.2.3能带结构（横坐标为k点路径，纵坐标为Energy，单位为eV）

结论

第四章 掺氧碳纳米管吸附锂的计算分析

4.1计算模型

4.2计算结果

4.2.1吸附能

4.2.2态密度

4.2.3能带结构（横坐标为k点路径，纵坐标为Energy，单位为eV）

结论

第五章总结

参考文献

致谢

个人简历、发表的学术论文