氮化硼纳米管的气体吸附和扩散性能的分子模拟研究

摘要

进入二十一世纪以来，随着科研人员对碳纳米管研究的日渐成熟，研究人员开始关注一个与碳纳米管具有相似结构的新型纳米管材料，即氮化硼纳米管材料。通过实验和理论的手段对氮化硼材料的研究，科研人员发现了氮化硼纳米管具有比碳纳米管更加优异的物理化学性能，如更耐高温，优异的半导体性能等。同时，通过量化计算和实验手段，科研人员也证明了氮化硼纳米管具有很好的储氢性能。尽管科研人员对氮化硼纳米管进行了大量的研究，但目前为止，对氮化硼纳米管内的气体吸附扩散性能还没有系统的理论研究。因此，本工作中，我们选取氮化硼纳米管和天然气作为研究对象，通过分子模拟的手段对氮化硼纳米管内的气体吸附与扩散行为，以及通过改性手段获得的氮化硼纳米管的性能进行了系统的研究，希望为其在实际应用，提供理论上的支持。
　　本论文的主要研究内容如下:
　　1.运用巨正则蒙特卡罗模拟方法，以比例为9∶1的CH4/CO2体系模拟天然气，模拟条件选择在温度为298K，体系压力为0.01-100 bar下对管径在7-30(A)的不同构型的氮化硼纳米管，计算出管内的气体的吸附量以及选择性，并与碳纳米管进行了对比。从中筛选出具有高吸附量和选择性的氮化硼纳米管，为进一步的研究提供理论支持。
　　2.对通过巨正则蒙特卡罗模拟方法筛选出的同时具有较高气体吸附量和选择性的氮化硼纳米管进行分子动力学模拟计算研究，分别计算了CO2、CH4以及CO2、CH4混合体系在氮化硼纳米管内扩散轨迹，进一步得出气体分子在管内的自扩散系数，并将获得的结果与相同构型的碳纳米管进行了对比，进一步证明氮化硼纳米管在气体运输方面的优势。
　　3.通过对氮化硼纳米管的研究，获得了具有较高气体吸附和扩散性能的构型，结合文献中报道的具有缺陷的氮化硼纳米管材料，本工作尝试对氮化硼纳米管进行了改性研究，并通过模拟计算的方法，选择CH4/CO2体系，探索了改性后的氮化硼纳米管在气体吸附和扩散方面的性能。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 纳米材料简介

1．2．1 碳纳米管纳米材料

1．2．2 氮化硼纳米管纳米材料

1．3 实验室常用的计算化学手段

1．3．1 量子化学方法

1．3．2 分子模拟方法

1．3．3 分子力学方法

1．4 分子模拟方法在氮化硼纳米管研究中的应用

1．5 选题依据与研究内容

1．6 本论文创新点

第二章 氮化硼纳米管中气体吸附性能的分子模拟计算研究

2．1 引言

2．2 材料模型与模拟细节

2．2．1 氮化硼纳米管和碳纳米管的结构

2．2．2 研究模型的电荷

2．2．3 骨架材料的力场参数

2．2．4 模拟过程与方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 力场验证

2．3．2 氮化硼纳米管内的气体吸附量

2．3．3 氮化硼纳米管内的气体吸附选择性

2．4 本章小结

第三章 氮化硼纳米管内气体扩散性能的计算研究

3．1 引言

3．2 模型与研究细节

3．2．1 氮化硼纳米管的结构

3．2．2 材料电荷

3．2．3 力场参数

3．2．4 模拟方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 力场验证

3．3．2 氮化硼纳米管内的客体分子的自扩散系数

3．4 本章小结

第四章 改性氮化硼纳米管内气体吸附和扩散性能的分子模拟研究

4．1 引言

4．2 模型模拟细节

4．2．1 氮化硼纳米管的结构

4．2．2 材料电荷

4．2．3 力场参数

4．2．4 模拟方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 不同硼氮比的氮化硼纳米管的吸附选择性能研究

4．3．2 不同硼氮比的氮化硼纳米管的气体扩散性能

4．3．3 氮化硼—碳纳米管混合结构的气体吸附选择性能

4．3．4 氮化硼—碳纳米管混合结构的气体扩散性能

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

作者简介

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