甲醇在端口改性碳纳米管中的迁移性质研究

发布时间：2017-06-14 02:03

  本文关键词：甲醇在端口改性碳纳米管中的迁移性质研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着能源问题的日益突出,新能源得到了人们越来越多的关注。燃料电池作为一种高效清洁的能源利用方式受到重视。碳纳米管(CNT)具有独特的结构和性质,将它应用于燃料电池中作为催化剂的载体可以极大提高其性能。然而,燃料分子在碳纳米管中的迁移性质还有待研究。本文采用分子动力学模拟的方法,建立了甲醇在碳纳米管改性端口及其内部迁移的物理模型,结合统计热力学理论,研究电量、官能团种类以及碳纳米管直接的作用。主要得到了以下结论:碳纳米管分布在甲醇溶液中时,可以提高内部的甲醇的质量分数。文献中通常采用的碳纳米管端口存在悬空键,是不稳定的结构,需要在端口加入官能团才能形成能够在自然界存在的稳定结构。碳纳米管端口官能团主要有:-H、-OH、-COOH,它们位于碳纳米管端口时,都是携带一定的电量的,通过模拟分析发现当改变原子所带电量时,甲醇通过碳纳米管端口的频率随着电量的增加而减小。直径为(6,6)8.14?的CNT内部,甲醇呈现单链状分布。随着直径的增加,甲醇在碳纳米管内部的分布呈现越来越多环形结构,以及更加紊乱的结构分布。通过计算碳纳米管内部的径向密度可以支持模拟得到的结论。对碳纳米管用三个官能团-H、-OH、-COOH功能化后,甲醇溶液会受到碳纳米管的影响。系统达到平衡时,甲醇分别进出碳纳米管的数量保持一致。当碳纳米管直径不断增加时时,甲醇每ps通过三种官能团功能化的碳纳米管的次数随之增多。因此直径对于甲醇在碳纳米管端口的迁移产生积极的影响。对三种官能团进行对比时发现:甲醇每ps通过-H和-OH功能化的碳纳米管的次数均大于-COOH功能化的碳纳米管。这说明羧基对于甲醇通过碳纳米管端口的阻力较大,阻力作用高于氢基和羟基。对于-H和-OH功能化的碳纳米管,甲醇在碳纳米管端口扩散时,受到了直径和端口官能团原子摆动的综合作用。当小直径时由于CNT-H官能团氢原子在管壁附近波动较大,使得甲醇通过碳纳米管端口的有效面积相比于CNT-OH减小,因此小直径时CNT-OH更有利于甲醇的扩散。当甲醇通过大直径碳纳米管时,官能团作用的范围区别较大;由于羧基比氢基具有更长的链长,使得在直径方向上甲醇通过CNT-OH碳纳米管端口的有效面积小于CNT-H。因此大直径时CNT-H更加有利于甲醇的扩散。
【关键词】：碳纳米管 分子动力学模拟 甲醇 燃料电池 官能团
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;TQ127.11
【目录】：

• 中文摘要3-4
• 英文摘要4-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 催化剂降低铂使用的方法9-11
• 1.1.1 使用载体降低Pt的使用9-10
• 1.1.2 探索含Pt合金作为催化剂10
• 1.1.3 无Pt的催化剂10
• 1.1.4 Pt的纳米颗粒的使用10-11
• 1.2 碳纳米管载体的使用对燃料电池的影响11-12
• 1.2.1 提高催化剂的性能11
• 1.2.2 提高催化剂的稳定性和耐腐蚀性11
• 1.2.3 降低燃料电池的成本11
• 1.2.4 提高传输能力11-12
• 1.3 提高燃料电池催化剂性能的研究12-14
• 1.3.1 优化载体12-13
• 1.3.2 多金属加入催化剂13
• 1.3.3 定向碳纳米管的使用13
• 1.3.4 碳纳米管的功能化13
• 1.3.5 使用聚合物13-14
• 1.4 催化剂与碳纳米管载体的相互影响14
• 1.4.1 CNT使催化剂粒子更加分散14
• 1.4.2 CNT直径和层数14
• 1.4.3 Pt纳米颗粒和载体之间粘合力14
• 1.5 碳纳米管载体催化剂的合成条件14-15
• 1.5.1 在超临界流体中14
• 1.5.2 微波技术的应用14
• 1.5.3 在酸中处理14
• 1.5.4 低温等离子体的方法14-15
• 1.6 碳纳米管的性能研究15
• 1.6.1 研究衬底与CNT之间性质关系15
• 1.6.2 碳纳米管用于输运通道15
• 1.6.3 碳纳米管的选择性吸收15
• 1.6.4 碳纳米管的存储功能15
• 1.7 总结15-17
• 2 分子动力学方法17-31
• 2.1 前言17
• 2.2 分子动力学模拟的简介17
• 2.3 分子动力学模拟的流程17-21
• 2.3.1 分子动力学模拟的步骤介绍18
• 2.3.2 分子动力学模拟具体过程分析18-21
• 2.4 分子动力学模拟参数21-28
• 2.4.1 力场21-23
• 2.4.2 电荷赋值23-24
• 2.4.3 系综24-25
• 2.4.4 恒压控制方法25
• 2.4.5 密度及温度统计25-26
• 2.4.6 恒温技术的控制方法26-28
• 2.5 分子动力学模拟的应用28
• 2.6 分子动力学模拟软件介绍28-29
• 2.7 小结29-31
• 3 碳纳米管改性官能团电量的作用31-39
• 3.1 引言31
• 3.2 碳纳米管影响甲醇溶液质量分数31-34
• 3.2.1 模型建立31-32
• 3.2.2 模拟过程32
• 3.2.3 模拟结果与分析32-34
• 3.3 官能团带电量的影响34-37
• 3.4 小结37-39
• 4 碳纳米管对甲醇在其内部分布的作用39-49
• 4.1 引言39
• 4.2 模型的建立及模拟过程39-40
• 4.3 模拟结果及分析40-47
• 4.4 小结47-49
• 5 官能团种类对甲醇扩散的作用49-59
• 5.1 引言49-50
• 5.2 模型的建立及模拟计算50-51
• 5.2.1 模型的建立50
• 5.2.2 模拟过程50-51
• 5.3 模拟结果51-57
• 5.4 小结57-59
• 6 结论59-61
• 致谢61-63
• 参考文献63-73
• 附录73
• A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录73
• B 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目73

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