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摘要：基于多酸(POM)分子和单壁碳纳米管(SWNT)的杂化纳米材料，表现出特殊的物理化学性质，特别是在分子簇电池应用方面引起了广泛人们的关注。在本文中，我们利用第一性原理计算，详细分析了POM和SWNT之间的相互作用和电子特征，包括它们之间的作用形式，作用能和电荷转移行为等。通过电荷的布局分布分析结果，揭示了这种纳米杂化材料有着两种不同的电荷转移特性，且这个结果与POM和碳纳米管的作用方式有关。详细讨论了分子间的界面性质特征，这些研究结果对于理解分子簇电池材料的性能有着重要的意义。65463
毕业论文关键词：多酸，单壁碳纳米管，密度泛函理论，电荷转移
Abstract: Nano-hybrid materials based on a combination of polyoxometalate (POM) clusters and single-walled carbon nanotubes (SWNT) exhibit a great interesting application in molecular cluster batteries. The interactions between POM and SWNT and their detailed electronic properties have been investigated by employing first-principles calculations. Various models were constructed to study the geometries, interactions (binding sites and energies), and charge transfer behavior. Analysis of charge distributions reveals two different charge transfer characteristic depending on the type of POM interaction with SWNT. The simulation provides insight into the optimal structures in lieu of interfacial stability. Finally, the implications of these results for understanding the properties of molecular cluster batteries are discussed.
Keywords: Polyoxometalate, single-walled carbon nanotube, Density Functional Theory, electron transfer
目 录
1 前言 4
2模型和计算模拟参数计算 5
2.1模型 5
2.2 计算模拟过程 6
3 结果与讨论 7
3.1吸附结构和吸附能 7
3.2电荷转移特征 8
结 论 10
参考文献 11
致 谢 16
1 前言
碳纳米管自发现以来一直是实验和理论研究的中心，特别是独特的物理和化学性质[1-5]。 由于CNT的独特结构和性质特征，已在许多领域显示出重要的应用[4, 6, 7]。 而CNT的化学修饰可以改善CNT的性质特征，是被认为进一步丰富CNT应用的一个重要方法[4-8]。到目前为止，通过分子吸附于表面的策略主要有两种方法来达到目的，分别为通过共价作用和非共价作用方式[9, 10]。 对于非共价作用的方式来修饰CNT可以比较好的保持CNT本身的结构特征，而使得分子与CNT的各自性质得到一定的保持，或者说其独自的分子性质优势得到组合，这样这类杂化的分子材料的整体性质得到进一步的提高。 研究发现，通过非共价方式可以改变CNT的可溶性，而不改变其电子性质特征，这有利于其进一步的应用，如在电子元件中的应用[2]。
多酸分子 (POMs) 由于其化学和物理性质的特殊性，已被应用于催化[11, 12]，医学[13]，电化学[14]以及电子元件制备[15-20]等领域。调研发现大量的关于POMs修饰CNTs的应用研究不断地得到开展[21-32]，如Warakulwit等人利用H3PMo12O40吸附于CNT的研究工作[24]。大量的研究发现，POMs的电化学性质在吸附于CNT后得到保持，或者说其性质依旧得到应用。这类材料对于改善CNTs的电子性质和应用有着重要作用，同时起到了进一步扩展CNTs应用[30-32]。
最近，由Yoshikawa及其合作者报道了一种新型的锂离子电池材料——分子簇电池，他们利用POMs吸附于CNTs的杂化材料而研制得到[28, 29]。它的出现得到了人们的关注。这个材料被认为是结合了POMs和CNTs的独特性质，正是基于这两个分子材料性质，使得组合而成的材料在电荷转移和锂离子扩散方面有着特殊的性质和优势。通过研究发现该类组合材料具有较高的电池容量特征。这个性质部分归因于POMs分子的性质特征——多电子氧化还原特性。从投射电子显微镜(TEM), 能量色散X射线能谱 (EDX)分析和Mo K-edge XAFS 分析发现，POM分子是独立吸附于CNT表面，它们之间无化学键，或者说它们之间是非共价键作用。作者通过对比认为POMs分子式通过其抗衡阳离子而与CNT产生相互作用，但主导作用是多酸分子中的抗衡阳离子[28, 29]。这和很多研究发现的多酸与CNT相互作用发现多酸直接作用于CNT不同[24-26]。这就产生了疑问，POMs和CNT之间的相互作用到底是通过抗衡阳离子作用，还是POMs直接与CNT相互作用？在实验上，由于缺乏微观的分析，这类材料的分子级结构和性质特征依旧是一个谜团。另外，在理论上也仍缺乏POMs分子在修饰CNTs材料的研究，为了获得这些信息，我们在本论文中利用周期性密度泛函理论详细分析POMs分子和CNT的相互作用特征。来.自/751·论|文-网·www.751com.cn/