搜索
1低维碳纳米材料结构性能及应用云南大学2007级物理系物理学专业刘岩学号20071050175石墨烯是一种由碳原子组成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚,具有比较大的比表面积，有做储氢材料的潜质。本文主要利用Material-studio软件对石墨烯结构和储氢性能进行了一些研究。Material-studio里有两种构建石墨烯的方法，但是这两种方法构建的原始晶胞却是不同的，而且，相同体积下，结点个数不同，而且直观的看，二者键型有区别。为了进行对比，本文将两种模型结构和储氢性能分别在相同条件下进行计算和比较。两种模型的建立方法：第一种，导入软件内置模型执行file–import–structure–ceramics–graphite.msi，获得双层石墨烯，层间距为0.34nm，将其扩充为6层，选定一层，将其移动到模型正中央，模型厚度为0.68*3nm；第二种方法，建立晶胞，选择模型为第183型，设置参数为2.46、2.46和3.4，然后将碳原子添加进去，设置坐标为0.333、0.667和0.500，获得厚度为0.34nm的晶胞，将其扩充为6层，因此它的厚度与第一种一样。现在要确定两种模型的结点个数，为使体积接近，分别将其扩充为145和128个结点。如图，显而易见，第一种模型边沿布满结点，而第二种模型边沿没有结点。为使模型稳定，对它们初步先进行几何结构优化。优化以前，键角都是120°键长均为0.142nm。2几何结构优化后，键长和键角均发生了一些轻微变化。(模型一)(模型二)随后，我们对这两种模型设定在77K、10KPa~100MPa进行储氢性能的模拟计算。这两幅图为石墨烯吸附了氢以后的剖面图，红色点阵为氢可能分布的位置，通过这两幅图，我们可以看到，氢附着于石墨烯时，其分布呈层状，平行于石墨烯，并与之有一定距离。3下图为77K温度下，石墨烯的两种模型对氢吸附能力随压强（10KPa~10MPa）变化的曲线。压强（KPa）100902008030070400605005060040700308002090010100000模型一（氢分子个数）196.9125214.2857219.40187222.03688226.14877229.53895232.64643235.71746235.0597237.49162模型二（氢分子个数）196.77643212.59745216.51609219.89442220.3135224.17579228.3933231.83274233.00157231.563714在大约10MPa~20MPa内，石墨烯的储氢性能增长速度大大减慢;而第二种模型在90MPa~100MPa内反常的出现了少许下降，这种现象可能是偶然的，有待于进一步实验。下面选取100MPa和10MPa的条件下对它们的质量储氢密度和体积储氢密度进行计算和比较：模型一（77K，100MPa）结点数:178+9=136+9=145总相对质量为：14512=1740储氢平均最大个数;237.492氢分子总相对质量为：237.4922=474.984=6.022氢分子质量:474.984/6.022=78.875kg储氢质量分数为：474.984/（1740+474.984）=474.984/2214.984=0.2144413=21.44%模型体积：6.8319.68017.043=6842.287296=6.84296储氢质量体积分数为：788.75/6.84296=115.264kg/(77K,10090KPa)储氢平均个数：196.9125氢分子总相对质量为：196.9125393.825储氢质量分数为：393.825/(1740+393.825)=0.184562=18.46%氢分子质量:393.825/6.022=65.40kg储氢质量体积分数为：654.06.843=95.57kg/模型二（77K，90010KPa）结点个数:168=128总相对质量：12812=1536储氢平均最大个数为：233.002氢分子总相对质量：2233.002=466.004氢分子质量:466.004/6.022g=77.384kg5储氢质量分数为：466.004/（1536+466.004）=466.004/2002.004=0.232769=23.28%模型体积:(17.222+2.461)(15.624+1.422)6.83=19.68317.04620.4=6844.5349272=6.84453储氢质量体积分数为:773.84/6.84453=113.06kg/(77K,10090KPa)储氢平均个数：196.77643氢总相对质量：196.776432=393.55286储氢质量分数：393.55286/(1536+393.55286)=0.2040=20.40%氢分子质量：393.55286/6.022=65.35kg储氢质量体积分数为:653.5/6.84453=95.48kg/总结:两种原胞键长键角等结构本质上应该是一样的，但扩充后的模型储氢性能上存在有一定的不同。一通过结构和储氢性能的对比,两种模型存在的不同有1）相同体积（6.842966.84453）下，结点的个数相差为145-128=17；2）质量储氢密度有少许差别（模型一21.44%模型二23.28%），质量体积储氢密度也有少许差别（模型二113.06kg/模型一115.264kg/）；3）模型二在压强由90MPa~100MPa变化时，储氢性能下降了。二由于模型一边沿布满结点，而模型二边沿没有结点，它们的储氢性能可能也是由此而有了少许差别。因此，我们应该可以取二者的中间值为模拟石墨烯储氢性能的理论计算值。三氢在附着于石墨烯时，可能聚集呈层状，平行于石墨烯，且与之保持适量距离。四在77K，10MPa条件下，单层石墨烯储氢的性能甚至已经超过液态(71Kg，20.4K，1atm或33.19K，12.98atm)固态(89Kg/，13.9K,1atm)氢[1]。6参考文献《燃料电池电动汽车》作者：陈全世,仇斌,谢起成清华大学出版社