碳纳米管改性端口的势能函数和通流规律的研究

Carbon nanotube is extremely important nano material. In recent years, it also showed a high application value in the energy field. Although carbon nanotubes were adopted as open-ends in many theory researches, the dangling bonds on the end should be modified to be stable. The modified end structure and nature will affect its transport characteristics (the critical pressure of functional liquid infiltrating and the migration rate of ion, molecular through the end). Then it will affect the performance of the application in the energy absorbing system, fuel cells, hydrogen storage and lithium ion battery. This project will adopt the first principle combined with density functional theory to study the structure of carbon nanotubes modified end, and obtain the potential function. Then the molecular dynamics simulation method combined with statistical thermodynamics theory will be adopted to research the transport law of functional fluid through the modified ends of carbon nanotube， which include the effects and many factors coupling effects of carbon nanotubes chiral, diameter, functional groups on the end and external temperature, pressure, electric field, magnetic field. Experiment will be carried out to verify the correctness of the simulation. The results will provide theoretical guidance for the application of modified end carbon nanotube in the energy field.

碳纳米管是极其重要的纳米材料，近年来，在能源利用领域也展现出了很高的应用价值。尽管目前众多理论研究中将碳纳米管视为开口结构，然而其端口需要对悬空键做改性处理才能稳定，改性后的端口结构及性质将影响其通流特性(液体渗入的临界压力以及离子、分子等通过端口的迁移速率)，并进而影响在能量吸收系统、燃料电池、氢气储存和锂离子电池等应用中的性能。本项目拟采用第一性原理结合密度泛函理论研究碳纳米管端口改性后的结构，得出其势能函数。然后采用分子动力学模拟方法，结合统计热力学理论，研究功能流体在碳纳米管改性端口的通流规律。讨论碳纳米管手性、直径、端口改性官能团及外部温度、压力、电场、磁场等因素及耦合效应对通流的影响，并用试验方法验证模拟的正确性。研究结果将为端口改性碳纳米管在能源领域的应用提供理论指导。

碳纳米管是极其重要的纳米材料，近年来，在能源利用领域也展现出了很高的应用价值。尽管目前众多理论研究中将碳纳米管视为开口结构，然而其端口需要对悬空键做改性处理才能稳定，改性后的端口结构及性质将影响其通流特性(液体渗入的临界压力以及粒子、离子、分子等通过端口的迁移速率)，并进而影响在能量吸收系统、燃料电池、氢气储存和锂离子电池等应用中的性能。本项目的研究，建立了包含碳纳米管改性端口势能函数的分子动力学模拟架构，主要得到了以下结论。.CNT管径的增加，使得管内流通面积增大，锂离子的迁移阻力减小，VLi会逐渐增加；随着端口官能团依次改性为-H、-OH、-NH2、-COOH，锂离子的迁移阻力会逐渐增加，VLi则会依次减小；当端口单种非氢官能团的数量逐渐增多时，VLi会逐步减小，并且越是影响力大的官能团，其个数变化对VLi的影响则越大。.甲醇分子通过碳纳米管改性端口时，官能团为-COOH时阻力最大，换言之，甲醇通过的次数最小。而当官能团为-H、-OH时，当温度较低时，在半径相同的条件下，通过官能团为-OH的端口次数较多，而当温度较高时，则通过官能团为-H的端口次数较多。总体上，甲醇分子通过三种碳纳米管改性端口时随着温度的升高及半径的增大而频率增大。.温度对VLi的影响整体上不大，但在不同管径中的影响存在差异；在较小直径的碳纳米管中引起的速率波动相对较大，但随着直径的增大，这种波动将逐渐变得平稳。尽管温度对VLi影响不大，但在碳纳米管内部形成了有益于锂离子扩散的条件，使其扩散系数增大；电场强度对碳VLi的影响较大，随着电场强度的增加，VLi以较大幅度增长。尽管锂离子的扩散系数并没有随着电场强度的增加而线性增加，而表现出有波动的现象，但整体上的走势是随着电场强度的增加而快速递增。.为了同时考虑多种因素交互作用下对计算结果的耦合影响，采用正交试验理论，研究CNT直径、电场强度、温度以及官能团种类对VLi的影响。结果表明：电场强度影响最大，VLi随着电场强度的增加而显著地增大；其次是官能团类型，依次将碳纳米管端口官能团改性为-H，-OH，-NH2以及-COOH，VLi会逐步降低。接着是碳纳米管直径，随着管径的增加，锂离子的平均速度会逐渐增加，但增幅有减弱的趋势。温度影响的力度最小，速度先随温度的增加而增加，随后处于一个波动值比较小的水平，对VLi也没有产生显著性的影响。