MS兩種方法構(gòu)建的石墨烯儲(chǔ)氫性能的模擬計(jì)算比較

低維碳納米材料結(jié)構(gòu)性能及應(yīng)用云南大學(xué)2007級(jí)物理系物理學(xué)專業(yè)劉巖學(xué)號(hào)20071050175石墨烯是一種由碳原子組成的二維六角點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，具有單一原子層或幾個(gè)原子層厚,具有比較大的比表面積，有做儲(chǔ)氫材料的潛質(zhì)。本文主要利用Material-studio軟件對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)氫性能進(jìn)行了一些研究。Material-studio里有兩種構(gòu)建石墨烯的方法，但是這兩種方法構(gòu)建的原始晶胞卻是不同的，而且，相同體積下，結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)不同，而且直觀的看，二者鍵型有區(qū)別。為了進(jìn)行對(duì)比，本文將兩種模型結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)氫性能分別在相同條件下進(jìn)行計(jì)算和比較。兩種模型的建立方法：第一種，導(dǎo)入軟件內(nèi)置模型執(zhí)行file–import–structure–ceramics–graphite.msi，獲得雙層石墨烯，層間距為0.34nm，將其擴(kuò)充為6層，選定一層，將其移動(dòng)到模型正中央，模型厚度為0.68*3nm；第二種方法，建立晶胞，選擇模型為第183型，設(shè)置參數(shù)為2.46、2.46和3.4，然后將碳原子添加進(jìn)去，設(shè)置坐標(biāo)為0.333、0.667和0.500，獲得厚度為0.34nm的晶胞，將其擴(kuò)充為6層，因此它的厚度與第一種一樣?，F(xiàn)在要確定兩種模型的結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，為使體積接近，分別將其擴(kuò)充為145和128個(gè)結(jié)點(diǎn)。如圖，顯而易見，第一種模型邊沿布滿結(jié)點(diǎn)，而第二種模型邊沿沒有結(jié)點(diǎn)。為使模型穩(wěn)定，對(duì)它們初步先進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化以前，鍵角都是120°鍵長均為0.142nm。幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，鍵長和鍵角均發(fā)生了一些輕微變化。(模型一)(模型二)隨后，我們對(duì)這兩種模型設(shè)定在77K、10KPa~100MPa進(jìn)行儲(chǔ)氫性能的模擬計(jì)算。這兩幅圖為石墨烯吸附了氫以后的剖面圖，紅色點(diǎn)陣為氫可能分布的位置，通過這兩幅圖，我們可以看到，氫附著于石墨烯時(shí)，其分布呈層狀，平行于石墨烯，并與之有一定距離。下圖為77K溫度下，石墨烯的兩種模型對(duì)氫吸附能力隨壓強(qiáng)（10KPa~10MPa）變化的曲線。壓強(qiáng)（KPa）100902008030070400605005060040700308002090010100000模型一（氫分子個(gè)數(shù)）643模型二（氫分子個(gè)數(shù)）在大約10MPa~20MPa內(nèi)，石墨烯的儲(chǔ)氫性能增長速度大大減慢;而第二種模型在90MPa~100MPa內(nèi)反常的出現(xiàn)了少許下降，這種現(xiàn)象可能是偶然的，有待于進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。下面選取100MPa和10MPa的條件下對(duì)它們的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度和體積儲(chǔ)氫密度進(jìn)行計(jì)算和比較：模型一（77K，100MPa）結(jié)點(diǎn)數(shù):178+9=136+9=145總相對(duì)質(zhì)量為：14512=1740儲(chǔ)氫平均最大個(gè)數(shù);237.492氫分子總相對(duì)質(zhì)量為：kg=21.44%317.043=(77K,10090KPa)儲(chǔ)氫平均個(gè)數(shù)：儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：/(1740+)=2=18.46%氫分子質(zhì)量:kgkg/模型二（77K，90010KPa）結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù):168=128總相對(duì)質(zhì)量：12812=1536儲(chǔ)氫平均最大個(gè)數(shù)為：233.002氫分子總相對(duì)質(zhì)量：2氫分子質(zhì)量g=kg儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)=23.28%模型體積:(17.222+2.461)(15.624+1.422)3==儲(chǔ)氫質(zhì)量(77K,10090KPa)儲(chǔ)氫平均個(gè)數(shù)：氫總相對(duì)質(zhì)量：2=儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)：/(1536+)=40=20.40%氫分子質(zhì)量：/=kg95.48kg/總結(jié):兩種原胞鍵長鍵角等結(jié)構(gòu)本質(zhì)上應(yīng)該是一樣的，但擴(kuò)充后的模型儲(chǔ)氫性能上存在有一定的不同。一通過結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)氫性能的對(duì)比,兩種模型存在的不同有1）相同體積（）下，結(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)相差為145-128=17；<模型一）；3）模型二在壓強(qiáng)由90MPa~100MPa變化時(shí)，儲(chǔ)氫性能下降了。二由于模型一邊沿布滿結(jié)點(diǎn)，而模型二邊沿沒有結(jié)點(diǎn)，它們的儲(chǔ)氫性能可能也是由此而有了少許差別。因此，我們應(yīng)該可以取二者的中間值為模擬石墨烯儲(chǔ)氫性能的理論計(jì)算值。三氫在附著于石墨烯時(shí)，可能聚集呈層狀，平行于石墨烯，且與之保持適量距離。四在77K，10MPa