石墨炔力学性能及在海水脱盐中的应用研究
发布时间：2021-12-01 22:56
自从2004年二维结构材料石墨烯被发现,近十几年来二维结构材料得到了快速的发展和研究,许多结构多样、性能独特脱颖于传统材料的新型二维材料被陆续报导。作为二维结构的石墨炔（Graph-n-yne,n=1,2,3,4,5）在理论上其结构是稳定存在的,并于2010年被成功制备出其中的石墨二炔（Graph-2-yne）。石墨炔是由sp杂化乙炔键将sp2杂化的苯环共轭连接而形成的二维平面网格结构,其均匀分布的孔隙和丰富的碳化学键,使得石墨炔作为优良的半导体具有优异的电子、光学和光电性能,在分离提纯、电子、能源、催化以及光电等领域具有潜在、重要的应用。目前对石墨炔的基础研究较多,在力学性能方面的研究虽然也有,然而这些方面的工作并不完备。本文采用基于密度泛函理论（DFT）的从头算第一性原理和分子动力学（MD）模拟等两种方法,分别计算了石墨一炔到石墨五炔结构的力学性能。首先,基于DFT的从头算方法,获得了石墨一到五炔单胞的晶格常数,计算了相应单胞的理想力学性能,并且计算了石墨一到五炔的聚合能（cohesive energy）,发现随乙炔键数目的增加导致晶格参数变化,聚合能降低,结构稳定性降低;其次,采...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．４?Ｉ：退火前石墨二炔纳米管在ＳＥＭ和ＴＥＭ下的形貌：（ａ）石墨二炔纳米管阵列俯视图，??（ｂ）高倍俯视图，（ｃ）大面积阵列的侧视图，（ｄ）高倍侧视图，（ｅ）—束石墨二炔纳米管低倍ＴＥＭ??图，ｆ石墨二炔纳米管高倍ＴＥＭ图；ＩＩ：对应于Ｉ的退后石墨二炔纳米管形貌【６４１??
丨＿＿＿?？??ｍｍｍｍ??图１．４?Ｉ：退火前石墨二炔纳米管在ＳＥＭ和ＴＥＭ下的形貌：（ａ）石墨二炔纳米管阵列俯视图，??（ｂ）高倍俯视图，（ｃ）大面积阵列的侧视图，（ｄ）高倍侧视图，（ｅ）—束石墨二炔纳米管低倍ＴＥＭ??图，（ｆ）石墨二炔纳米管高倍ＴＥＭ图；ＩＩ：对应于Ｉ的退火后石墨二炔纳米管形貌【６４１??理论计算表明，二维结构石墨炔为本征半导体，其能带带隙约为０．４６？１．２２ｅＶ?１６５】，??同时具有大塞贝克系数和低热导率以及室温ＺＴ值分别达到为３．０和４．８［６６１，这表明石??墨炔不仅具有特别的电荷运输能力，而且在热电方向的“声子－玻璃”和“电子－晶体”??方面可以作为理想材料。另外，６，６，１２＿石墨炔的空穴和电子迁移率分别达到４．２９?ｘ?１０５和??５．４１ｘｌ０５ｃｍ２（Ｖ．ｓ），大于石墨烯的电子迁移率（？ＳｘＫ＾ｃｎ＾．Ｖｔｓ—１；＾。同时人们发??现两个不同的狄拉克锥出现在石墨炔电子结构的费米能面附近
１０．７?＼（如１６４］。鉴于石墨炔的独特的平面网格结构，丰富的碳化学键，优良的半导体??性能以及优异的电子、光学和光电性能，使其在分离提纯、光电（太阳能电池）、电子、??催化、以及能源等领域具有十分重要的应用价值和前景［７２］，如图１．５。??广能源、??图１．５石墨炔潜在应用领域??石墨炔结构中均匀分布的三角孔隙，使其具有分子筛的功能，可以选择性地阻挡??尺寸大于三角孔隙尺寸的分子或离子的通过，允许通过一些尺寸较小的分子或离子。??譬如，计算表明石墨二炔的均匀三角孔隙的有效其范德华开口边长为￣３．８Ａ［７３］，半径??为？２．２人［７４１。有效孔隙尺寸介于氢气分子（Ｈ２）和甲烷分子（ＣＨ４）或一氧化碳分子（Ｃ０）的??范德华尺度之间。Ｃｒａｎｆｏｒｄ等人［７５］在文章中通过计算表明Ｈ２，?ＣＨ４和Ｃ０的运动半径??分别为？２．９３?Ａ，￣３．７６人和３．８３?Ａ。石墨二炔的这一结构功能特点，使其在清洁能源方??面具有潜在应用，可以作为氢气提纯膜，用于甲烷不完全氧化产生的合成气（包含Ｈ２，??ＣＨ４和ＣＯ）中氢气的分离。密度泛函理论计算进一步表明一个氢气分子在单层石墨二??炔表面的吸附能仅为－０．０７?ｅＶ，这表示其在石墨二炔表面微弱的范德华作用，同时氢气??分子穿过三角孔隙的迁移势垒仅为０．１０?ｅＶ
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维碳石墨炔研究进展与展望[J]. 陈彦焕,刘辉彪,李玉良. 科学通报. 2016(26)
[2]石墨炔类结构储锂性能的第一性原理研究[J]. 赵晗,周丽娜,魏东山,周新建,史浩飞. 高等学校化学学报. 2014(08)
本文编号：3527214
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．４?Ｉ：退火前石墨二炔纳米管在ＳＥＭ和ＴＥＭ下的形貌：（ａ）石墨二炔纳米管阵列俯视图，??（ｂ）高倍俯视图，（ｃ）大面积阵列的侧视图，（ｄ）高倍侧视图，（ｅ）—束石墨二炔纳米管低倍ＴＥＭ??图，ｆ石墨二炔纳米管高倍ＴＥＭ图；ＩＩ：对应于Ｉ的退后石墨二炔纳米管形貌【６４１??
丨＿＿＿?？??ｍｍｍｍ??图１．４?Ｉ：退火前石墨二炔纳米管在ＳＥＭ和ＴＥＭ下的形貌：（ａ）石墨二炔纳米管阵列俯视图，??（ｂ）高倍俯视图，（ｃ）大面积阵列的侧视图，（ｄ）高倍侧视图，（ｅ）—束石墨二炔纳米管低倍ＴＥＭ??图，（ｆ）石墨二炔纳米管高倍ＴＥＭ图；ＩＩ：对应于Ｉ的退火后石墨二炔纳米管形貌【６４１??理论计算表明，二维结构石墨炔为本征半导体，其能带带隙约为０．４６？１．２２ｅＶ?１６５】，??同时具有大塞贝克系数和低热导率以及室温ＺＴ值分别达到为３．０和４．８［６６１，这表明石??墨炔不仅具有特别的电荷运输能力，而且在热电方向的“声子－玻璃”和“电子－晶体”??方面可以作为理想材料。另外，６，６，１２＿石墨炔的空穴和电子迁移率分别达到４．２９?ｘ?１０５和??５．４１ｘｌ０５ｃｍ２（Ｖ．ｓ），大于石墨烯的电子迁移率（？ＳｘＫ＾ｃｎ＾．Ｖｔｓ—１；＾。同时人们发??现两个不同的狄拉克锥出现在石墨炔电子结构的费米能面附近
１０．７?＼（如１６４］。鉴于石墨炔的独特的平面网格结构，丰富的碳化学键，优良的半导体??性能以及优异的电子、光学和光电性能，使其在分离提纯、光电（太阳能电池）、电子、??催化、以及能源等领域具有十分重要的应用价值和前景［７２］，如图１．５。??广能源、??图１．５石墨炔潜在应用领域??石墨炔结构中均匀分布的三角孔隙，使其具有分子筛的功能，可以选择性地阻挡??尺寸大于三角孔隙尺寸的分子或离子的通过，允许通过一些尺寸较小的分子或离子。??譬如，计算表明石墨二炔的均匀三角孔隙的有效其范德华开口边长为￣３．８Ａ［７３］，半径??为？２．２人［７４１。有效孔隙尺寸介于氢气分子（Ｈ２）和甲烷分子（ＣＨ４）或一氧化碳分子（Ｃ０）的??范德华尺度之间。Ｃｒａｎｆｏｒｄ等人［７５］在文章中通过计算表明Ｈ２，?ＣＨ４和Ｃ０的运动半径??分别为？２．９３?Ａ，￣３．７６人和３．８３?Ａ。石墨二炔的这一结构功能特点，使其在清洁能源方??面具有潜在应用，可以作为氢气提纯膜，用于甲烷不完全氧化产生的合成气（包含Ｈ２，??ＣＨ４和ＣＯ）中氢气的分离。密度泛函理论计算进一步表明一个氢气分子在单层石墨二??炔表面的吸附能仅为－０．０７?ｅＶ，这表示其在石墨二炔表面微弱的范德华作用，同时氢气??分子穿过三角孔隙的迁移势垒仅为０．１０?ｅＶ
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维碳石墨炔研究进展与展望[J]. 陈彦焕,刘辉彪,李玉良. 科学通报. 2016(26)
[2]石墨炔类结构储锂性能的第一性原理研究[J]. 赵晗,周丽娜,魏东山,周新建,史浩飞. 高等学校化学学报. 2014(08)
本文编号：3527214
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