理論探索多孔碳納米結(jié)構(gòu)在儲氫、離子電池和水脫鹽方面的應(yīng)用.pdf

1、近些年來，多孔碳納米材料備受人們關(guān)注，其應(yīng)用極為廣泛。在本論文中，我們綜述了碳納米多孔材料在氫氣儲存、Li/Na離子電池和水脫鹽性能方面的研究進(jìn)展，并理論探索了幾個典型碳納米多孔結(jié)構(gòu)在這些方面的應(yīng)用。計算模擬主要基于密度泛函理論、第一性原理分子動力學(xué)、經(jīng)典分子動力學(xué)和巨正則蒙特卡洛方法。這些理論方法以及所使用的軟件，將逐一詳細(xì)介紹。
　　氫能是一種可再生的清潔能源，而氫氣的儲存是氫能利用的關(guān)鍵問題之一，需要尋找合適的材料來進(jìn)行安全

2、高效儲存。為此，我們構(gòu)建了通過有機(jī)官能團(tuán)支撐的硼摻雜石墨烯三維結(jié)構(gòu)。通過密度泛函理論計算和第一性原理分子動力學(xué)模擬，論證了該結(jié)構(gòu)經(jīng)過金屬Li修飾之后仍然能夠顯示很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。吸附的金屬Li原子的平均結(jié)合能是2.64eV，遠(yuǎn)大于金屬Li的粘合能1.60eV，這將有利于在實(shí)驗(yàn)中避免金屬Li的團(tuán)聚，從而在主體材料中形成有效的原子形式摻雜。巨正則蒙特卡洛模擬表明，在室溫298K、壓強(qiáng)100bar時，金屬Li修飾、硼摻雜的三維石墨烯

3、結(jié)構(gòu)的儲氫性能可以達(dá)到5.9wt％的質(zhì)量比和52.6g/L的體積比，這是一種優(yōu)良的氫氣儲存材料。
　　鋰離子電池和鈉離子電池因其可移植性、可重復(fù)性和高能源效率等方面的優(yōu)勢，成為當(dāng)今充電電池領(lǐng)域研究最廣泛的對象。尋找經(jīng)濟(jì)高效的電極材料來滿足實(shí)際需要是目前離子電池利用的關(guān)鍵問題。本論文以多孔C2N材料為鋰離子電池和鈉離子電池的電極材料，基于密度泛函理論和第一性原理分子動力學(xué)方法，研究了Li和Na金屬原子在C2N結(jié)構(gòu)上的吸附式存儲，證明

4、了飽和吸附Li10@C2N和Na9@C2N結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)穩(wěn)定性，并通過分波態(tài)密度和差分電荷密度分析闡明了Li和Na的吸附機(jī)理。計算結(jié)果表明，飽和吸附時Li和Na的平均結(jié)合能分別為2.54和1.95eV，均遠(yuǎn)大于它們的粘合能1.60和1.14eV，能夠有效的避免金屬團(tuán)聚現(xiàn)象，有利于金屬Li和Na在電極材料中的均勻分布和自由擴(kuò)散。經(jīng)計算，Li10@C2N和Na9@C2N結(jié)構(gòu)的能量密度可以高達(dá)1174.1和1056.7mAh/g。
　　隨

5、著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，世界淡水需求增加和儲量短缺之間的矛盾更加突出。目前，海水脫鹽被認(rèn)為是最直接、最快速獲得淡水資源的途徑之一。我們研究了-H和-OH兩種官能團(tuán)修飾的3種孔隙大小的石墨烯薄膜作為滲透膜分離H2O/NaCl，期望獲得純凈水。理論模擬考慮了外部不同壓力對水脫鹽性能的影響，計算了水分子平均力勢用以分析不同官能團(tuán)修飾孔隙的水脫鹽機(jī)理。在室溫298K，外部壓力200MPa時，-H和-OH基修飾的石墨烯薄膜可以實(shí)現(xiàn)100％脫鹽，

6、水分子滲透通量可以達(dá)到36.9×104kg·m-2·h-1和40.6×104kg·m-2·h-1，能夠?qū)崿F(xiàn)快速獲得純凈水的目標(biāo)。此外，隨機(jī)碳分子篩由單一或者多種結(jié)構(gòu)單元隨機(jī)組成，其結(jié)構(gòu)可調(diào)，孔隙和比表面積多變，引起了科研工作者的廣泛興趣和關(guān)注。本文研究了以六苯并苯為基本結(jié)構(gòu)單元的隨機(jī)碳分子篩作為滲透薄膜進(jìn)行水脫鹽，深入探索了分子篩取向效應(yīng)、密度效應(yīng)、柔性效應(yīng)以及不同結(jié)構(gòu)單元對水脫鹽性能的影響，并利用水分子在膜體系中的密度分布以及平均力勢