碳纳米管性质对填充镍结构的影响

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1、万方数据第23卷第l期2008年3月新型炭材料NEWCARBONMATERIALSV01．23No．1Mar．2008文章编号：l007—8827(2008)OlJ008lJD5碳纳米管性质对填充镍结构的影响李换英1⋯，任秀彬1’。，郭向云1(1．中同科学院炭材料重点实验室中罔科学院山西煤炭化学研究所，山西太原0300012．中国科学院研究牛院，北京l00049)摘要：采用蒙特卡罗方法研究了碳纳米管的直径、形貌以及与金属镍之间的相互作用对填充镍结构的影响。结果表明：碳纳米管的直径决定内部金属的结构，并且随着直径的增加，含有中心原子链的同轴层状

2、结构和不含中心原子链的同轴层状结构交替出现。另外，碳纳米管的形貌与金属．纳米管之间相互作用对填充镍的结构并没有显著的影响。关键词：碳纳米管；金属镍；同轴层状结构；Montecallo模拟中图分类号：TB3330242．1文献标识码：Al前言自1993年首次报道碳纳米管填充现象以来⋯，碳纳米管的填充已经引起了人们的广泛关注。大量的理论计算和实验研究表明，在碳纳米管的量子空腔中，填充物质不仅自身的形态结构和理化性质与其宏观状态相比发生了变化，而且在一定程度上也对碳纳米管的性质产生影响。金属填人碳纳米管空腔能够显著地改变其传导、电子学．机械性能和抗

3、氧化．；；j力12刮，尤其是铁磁性金属填充的碳纳米管在数据储存、生物医学、电磁波吸收与屏蔽以及催化等领域有潜在的应用前景。迄今，已经有许多方法可以将金属插入碳纳米管，如毛细填充法、电弧放电法、CVD法、湿化学法和金属有机物热解法等。Liang等在Raney—Ni催化剂上热解苯，得到了完全填充和部分填充镍的两种碳纳米管”]。Green等采用湿化学法并经过氢气还原得到金属纳米线和颗粒两种填充类型的结构【61。Bao等采用二级模板法制备了金属填充的碳纳米管"3等。尽管多种实验方法都可实现碳纳米管的填充，然而对填充过程的动力学、反应机理及填充物结构等

4、尚不清楚。为了使碳纳米管填充技术得到广泛应用，有必要深入研究和诠释碳纳米管填充过程的微观机制、填充物的结构形式以及碳纳米管与填充物之间的相互作用规律等基本科学问题。实验证明碳纳米管的直径对填充物的结构有很大的影响、8‘9J。例如，碳纳米管的直径为1．36nm和I．63nm时，碘化钾的填充结构分别为两个(2×2)和三个(3×3)晶体结构。在理论方面，Hodak【l叫等模拟了C∞在不同直径碳纳米管内的凝聚，认为c∞可以形成线性碳链、双螺旋链和不同分子数的层状结构等。wilson和Maddenll川使用分子动力学模拟了碘化钾在不同直径单壁碳纳米管中

5、的晶体生长行为，并且认为(2×2)和(3×3)结构分别能在(8，8)和(12，12)纳米管内形成。weissmann¨纠等采用从头算方法研究了固定结构的铁填充进不同直径的锯齿型碳纳米管后磁性质的变化。Kosmider【I列等采用分子动力学方法模拟了氩团簇在不同直径和形貌碳纳米管内的结构，结果表明氩团簇在《10，10)和(15，15)碳纳米管内形成了含有中心原子链的同轴层状结构，而在(20，0)碳纳米管内中心的原子链是南双螺旋链组成。另外，研究还表明填充物和碳纳米管之间存在着强烈的相互作用¨引，这就使得外来材料能够填充进碳纳米管。换言之，填充物

6、质与碳纳米管润湿情况良好就容易填充进去。在实验过程中可以通过改变填充物质或增加外压¨纠来改变填充物和碳纳米管之间的相互作用，这样不仅可以使外来物质更容易填充，而且可以控制填充物质的结构。在先前的工作中¨引，笔者对镍原子填充纳米管的机理进行了研究。结果表明镍原子要经历团聚一进入一扩散过程直至在管内相遇，而且只有当纳米管的直径大于O．76nm时，镍原子才能够填充进碳纳米管内，并可能形成两种类型的结构。本文主要收稿日期：2007J09—30；修回日期：20()8旬2．28通讯作者：郭向云，Tel：+86-3514065282，E—mail：xygu

7、o@sxicc．ac．cn作者简介：李换英(1976一)，女，山西阳泉人，博士研究生，主要从事新材料设计和，￡长机理的分子模拟万方数据·82·新型炭材料第23卷报道采用蒙特卡罗方法详细考察碳纳米管的直径，形貌及其与金属之间的相互作用对填充物结构的影响。2模拟方法首先模拟生成两种不同形貌末端开口的纳米管，锯齿型和扶手型纳米管，如图l所示。再将一根碳纳米管和一定数量的镍原子放置在一个长方体元胞中，让金属原子随机分布在碳纳米管的周围。尽管在实验过程中碳纳米管的局部结构或c—C键长可能会发生变化，但整体结构通常不会发生很大的变化，因此在模拟时认为碳纳

8、米管是刚性的mJ。元胞中的镍原子在三维方向上随机移动，计算移动前后两构型的能量变化△占，如果△占≤0，接受新构型。当△占>0时，以概率P=eXp(一△∥后。r)接受