Structure, Energetics and Vibrational Frequency Shifts of Water Molecules Confined Inside Single-walled Carbon Nanotubes:A DFT Study

摘要

利用密度泛函理论中的杂化泛函M06-2X研究了受限于不同管径单壁碳纳米管(SWCnT)内水分子团簇(H2O)n=3~6的结构、能量以及振动频率.结果显示由于SWCnT的限域效应,水分子团簇的几何构型与在真空相比发生了巨大变化,如受限(H2O)6能形成单链锯齿型水分子构型.随着管直径的增大,纳米管与水之间的相互作用逐渐减弱,但水分子之间的氢键相互作用能变化不大.对比受限和真空下水分子O—H振动频率发现,绝大部分O—H的振动频率由于碳纳米管与水的相互作用而发生了红移.AIM理论分析显示O—H振动频率的红移应归因于其电子密度的减小.这也表明碳纳米管绝非简单的几何限制效应,而是与水分子之间存在弱电子相互作用,主要包括H…π氢键作用和O…π轨道作用,从而导致水分子的小部分电荷转移到了SWCnT上.