掺杂对碳纳米材料导电性影响的模拟研究

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1、中图分类号：TB33论文编号：2017303060UDC：密级：公开硕士学位论文掺杂对碳纳米材料导电性影响的模拟研究作者姓名：刘扬学科名称：机械工程研究方向：先进制造技术学习单位：华北理工大学学制:2.5年提交日期:2017年12月1日申请学位类别：工程硕士导师姓名：安立宝教授单位：华北理工大学机械工程学院田肃静高工单位：唐山市计量测试研究所论文评阅人：匿名单位：匿名单位：论文答辩日期：2018年3月6日答辩委员会主席：杨国权教授关键词：碳纳米管；石墨烯；第一性原理；掺杂；缺陷；导电性；电催化唐山华北理工大学20

2、18年3月SimulationStudyoftheEffectofDopingontheElectricalConductivityofCarbonNanomaterialsDissertationSubmittedtoNorthChinaUniversityofScienceandTechnologyinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofEngineeringbyLiuYang(MechanicalEngineering)Profes

3、sorAnLibaoSupervisor:TianSujingMarch,2018独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得华北理工大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本人完全了解华北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：已

4、获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检索和交流。作者和导师同意论文公开及网上交流的时间：自授予学位之日起□自年月日起作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要摘要为解决碳纳米材料如碳纳米管（CNT）和石墨烯与金属接触界面间的浸润性差、电荷转移不理想等问题，利用基于密度泛函理论的第一性原理，对碳纳米材料与重金属（Pt、Au）原子间的交互作用进行了模拟计算。首先对Pt原

5、子在B/N掺杂端部封闭CNT表面的吸附进行了研究，通过分析比较掺杂前后CNT与Pt原子间的吸附距离、吸附能、电荷转移量以及布居数等，发现B/N掺杂均能有效提高CNT与Pt原子之间的吸附能，促进电荷转移。相比于B掺杂，在CNT端部进行N掺杂可以更有效地提高CNT与Pt原子间的交互作用，有助于改善CNT载Pt催化剂的性能。对石墨烯载Pt催化剂而言，石墨烯与Pt之间的交互作用越强，催化剂导电性能越好。为此分析了Pt原子在本征石墨烯/空位缺陷石墨烯表面的吸附特性，结果发现对于本征石墨烯而言，在桥位吸附时石墨烯与Pt原子间

6、吸附能和电荷转移量最大，但是两者依旧无法形成稳定有效的化学吸附；对于空位缺陷石墨烯而言，空位缺陷的存在会引入新的局域态，形成缺电子结构，促进了Pt原子中的电子向石墨烯转移，增强了石墨烯与Pt界面的电接触性能和体系稳定性。为改善石墨烯载Au催化剂中Au与石墨烯间电荷传递弱的问题，模拟计算了Fe掺杂对石墨烯吸附Au的影响。能带分析显示，在石墨烯中掺杂Fe会使石墨烯表面出现空穴。但是，在吸附Au原子后会由于Au原子的电负性和Fe与Au之间顺磁性的影响，使得石墨烯中电子进一步向Au转移。和本征石墨烯与Au原子间的吸附相比

7、，Fe掺杂石墨烯与Au原子间的吸附能提高了近11倍，两者间的电荷转移量提高了183.3%。因此，掺杂Fe可以有效地改善石墨烯载Au催化剂的电子输运能力。图21幅；表13个；参104篇。关键词：碳纳米管；石墨烯；第一性原理；掺杂；缺陷；导电性；电催化分类号：TB33-I-华北理工大学硕士学位论文AbstractToimprovethepoorwettabilityandchargetransferbetweencarbonnanomaterial,suchascarbonnanotube(CNT)andgraphe

8、ne,andheavymetals,thefirstprinciplescalculationsbasedondensityfunctionaltheorywereperformedtostudytheinteractionsbetweenCNT/gragheneandheavymetals.FirstlytheadsorptionofPtatomoncappedCNTd