碳纳米管物理吸附储氢的势能效应与空间效应

采用巨正则蒙特卡罗方法模拟氢分子在碳纳米管及其阵列中的存储过程。通过定量分析计算结果,指出碳纳米管储氢的物理吸附机制,可用势能效应和空间效应描述。势能效应源于碳氢和氢氢之间的相互作用,空间效应则来自碳纳米管及其阵列的中空结构。利用两种效应的最佳组合,可获得理想的储氢效果。

多壁碳纳米管储氢的物理吸附特性

采用巨正则蒙特卡罗方法 ,模拟常温、1 0MPa下氢在扶手椅型多壁壁碳纳米管中的物理吸附过程 .氢分子之间、氢分子与碳原子之间的相互作用采用Lennard Jones势能模型 .研究了双壁碳纳米管外 (内 )径固定而内 (外 )径改变时的物理吸附储氢情况 ,发现氢分子主要储存在双壁碳纳米管的管壁附近 ,当双壁碳纳米管的内外管壁间距由 0 .34nm增大到 0 .6 1或 0 .88nm时可有效增加物理吸附储氢量 ,并给出了相应的理论解释 .在此基础上 ,计算了管壁间距为 0 .34、0 .6 1和 0 .88nm时的三壁碳纳米管的物理吸附储氢量 ,并与相同条件下单壁和双壁碳纳米管的物理吸附储氢量作了比较 ,发现多壁碳纳米管的物理吸附储氢量随碳管层数的增加而减小 .

碳纳米管阵列储氢的物理吸附特性

采用巨正则蒙特卡罗方法,在室温、100大气压下对以方阵和三角方式排列的碳纳米管阵列的物理吸附储氢进行计算机模拟,发现氢分子可被吸附于碳纳米管阵列的管内和管外,管外的储氢密度普遍高于管内,方阵阵列优于三角阵列,并给出了相应的理论解释。

氢在单壁碳纳米管中吸附的计算机模拟

采用巨正则系综蒙特卡罗(Grand Canonical Ensemble Monte Carlo,GCEMC)方法模拟了不同结构参数(管径和管间距)的单壁碳纳米管在不同操作工况(温度和压力)下的吸附储氢性能。由计算结果发现,在不同管间距的情况下,不同的管径对吸附性能的影响不同:在管间距较小的情况下,吸附储氢重量百分比和体积百分比均随管径的增大而增大;在管间距较大的情况下,吸附储氢的体积百分比却随管径的增大而减小。在不同的操作工况下,存在一个最优的管间距,能使吸附储氢的体积百分比达到最大值。通过模拟,得到77K下最接近DOE能量密度标准的碳纳米管结构参数和操作工况。

氢在多壁碳纳米管中的吸附储存

利用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)的方法模拟了氢在多壁碳纳米管中的吸附,氢气分子之间、氢气分子和碳原子之间的相互作用势能采用Lennard-Jones势能模型。模拟了不同结构参数(管内径、管壁数、管壁间距)的多壁碳纳米管在77K和298K下的吸附等温线,分析了多壁碳纳米管的管内径、管壁数以及管壁间距对吸附性能的影响。模拟结果表明:多壁碳纳米管的管壁数和管壁间距对吸附性能的影响较明显;管壁数越少,管壁间距越大,其吸附性能越好;多壁碳纳米管的管内径对其吸附性能的影响甚微。

氮化硼纳米管阵列储氢的计算机模拟

采用巨正则蒙特卡罗方法模拟常温、中等压强下单壁氮化硼纳米管阵列的物理吸附储氢,重点研究压强、纳米管阵列的管径和管间距对单壁氮化硼纳米管阵列物理吸附储氢的影响.计算结果表明,氮化硼纳米管阵列的储氢性能明显优于碳纳米管阵列,在常温和中等压强下的物理吸附储氢量(质量百分数)可以达到和超过美国能源部提出的商业标准.并给出相应的理论解释.

碳纳米管阵列储氢的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,模拟了常温和不同压强下,氢在不同管径和管间距的单壁碳纳米管阵列(SWCNTA—S ingle-walled Carbon Nanotube Arrays)中的物理吸附过程.重点研究了压强、管径和管间距对SWCNTA(管内和管间隙)物理吸附储氢的影响.发现氢分子主要储存在SWCNTA的管壁附近,适当地增大管径和管间距可有效增加SWCNTA的物理吸附储氢量,使其在常温下具有较高的储氢能力,并给出了相应的理论解释.计算结果表明,在常温和中等压强下,SWCNTA的物理吸附总储氢量(重量百分比)可达4.2%,从而为同等条件下SWCNTA具有较高储氢能力的实验结果提供了直接的理论支持.

化学势对模拟计算单壁碳纳米管储氢的影响

对计算化学势的Widom测试粒子方法进行了改进.采用改进后的Widom测试粒子方法和周期边界流体系统的压力算法,研究开放系统的化学势随压强的变化,给出了具体的函数关系,并证明了其正确性.在此基础上,通过巨正则蒙特卡罗模拟,仔细地分析了化学势对模拟计算单壁碳纳米管储氢的影响.计算结果表明,化学势的偏差对模拟计算单壁碳纳米管储氢有着非常显著的影响.

H_2的自由扩散和吸附状态的对比研究

运用巨正则Monte Carlo方法,模拟了H_2在自由扩散状态下及碳纳米管吸附状态下的分布,对H_z的自由扩散和吸附状态进行了对比研究.研究表明:77 K和2 MPa下,(30,30)扶手椅型碳纳米管质量储氢密度为3.74%,77 K和10 MPa下,质量储氢密度为7.4%.吸附状态的H_2分子主要汇聚在碳纳米管内外两个壁面.

单壁碳纳米管低温及常温下储氢行为的模拟计算研究

采用巨正则系综蒙特卡罗方法,通过含有此方法模块的GULP软件,系统地研究了扶手椅式单壁碳纳米管在低温和常温下的储氢性能,给出了5种半径的扶手椅管在液氮温度(77K)和常温(280K)下的吸附等温线,同一管径在不同温度不同压强下氢分子在碳纳米管中的分布构型图等.对77K和280K下不同压强不同管径的碳纳米管储氢能力做了较为全面的对比分析,最后根据模拟计算的结果,对碳纳米管储氢能力的强化提出了一些建设性意见.