多孔石墨烯衍生材料的第一性原理研究(2)
2.1 计算方法 2
2.2 软件简介 4
3 计算及结果分析 6
3.1 计算参数设置及计算结果处理 6
3.2 氮和硼取代的多孔石墨烯对于气体分子的过滤 7
3.3多孔纳米管的卷曲效应及其对储氢性能的影响11
3.3.1多孔碳纳米管的构建、管径及能带 11
3.3.2卷曲效应对多孔石墨烯储氢性能的影响 14
结论 17
致谢18
参考文献18
1 引言
能源，是人类社会发展进步的重要支撑。纵观人类历史，由刀耕火种的原始社会到科技日新月异的现代社会，每一次社会形态更替的总是伴随着能源类型的深刻变革。当代经济的高速发展，则更是以空前的能源消耗为前提。现今人类社会依靠的能源，绝大部分来自于煤和石油等传统化石源料。由于地球所储存的这些化石原料终究有限，进入21世纪，能源危机越来越成为人类面临的重大问题。为此，寻求可替代传统化石原料的可再生新能源，是应对这一危机的必然选择。目前在研究中的新能源包括风能，水能，核能，氢能和地热能等。在这些能源中，氢能具有来源广泛、高热值和燃烧产物无污染等一系列优点[1]，使得氢能成为一种很有前景的新能源。
氢能在实际应用中面临三个方面的问题：即氢气的制取、提纯和储存。解决这三个问题是氢能应用的关键。对于氢气的存储，由于氢在通常条件下以气态形式存在，而且具有易燃、易爆、易扩散的特性，因而会给氢的储存和运输带来很大不便。根据现有的技术和材料，氢气的存储往往伴随着高成本和低安全性的缺点，这些都将阻碍氢能作为一种新能源的推广应用。因此，对于储氢手段和储氢材料的要求是，一方面，必须要保证氢在实际应用中储存和运输时的安全、高效和无泄漏；另一方面，要满足氢的存储密度（包括质量储氢密度和体积储氢密度）高、能耗少和经济可行等。对此，美国能源部对储氢材料提出的目标是，在2017年以前氢气在储氢材料中的质量分数不低于5.5wt%。
完整的石墨烯是由单层原子组成的的二文平面结构，具有平移周期性，其结构单元为C原子所形成的优尔元环，C原子间是共轭的 键。石墨烯于2004 年第一次在实验室通过机械剥落高定向的热解石墨而制得[2]。这一发现引起了科学界的巨大兴趣，其发明者也获得了2010年度的诺贝尔物理学奖。同时，科学家也发现石墨烯具有许多优良的电子特性[3,4]。
石墨烯由于其独特的结构与性能，在很多领域均有潜在的应用，作为高效储氢材料便为其一。Sofo指出，通过氢化使石墨烯的C-C键断裂，可制得多孔石墨烯[5]。随后Bieri 等人成功的在实验室人工合成了多孔石墨烯[6]。研究表明，相比原来完整的石墨烯，多孔石墨烯具有更为理想的能带带隙，因而可以有更广阔的应用[7]。同时，Aijun Du等人的研究表明多孔石墨烯也有非常理想的储氢性能[8]，具体做法是让Li原子吸附到多孔石墨烯上，再以Li为媒介去吸附氢气分子。当多孔石墨烯掺入 Li 后，Li 原子将吸附到石墨烯的芳香环的正上方。为了避免 Li 原子团聚，多孔石墨烯的单胞在吸附4个 Li 原子时达到最大掺Li浓度，此时计算发现每个Li原子吸附一个、两个、三个氢分子时，体系对于氢分子平均结合能几乎不变，分别为-0.265eV, -0.270eV, -0.256eV，而当吸附四个氢分子时由于氢分子之间相互影响，结合能降低到 -0.206eV。这样，在多孔石墨烯单胞上掺杂2个Li原子和4个Li原子时，储氢质量比分别为7wt%和12wt%，结果很理想。
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