低維石墨炔體系的儲(chǔ)能與熱導(dǎo)性能研究.pdf

1、低維材料，特別是低維碳納米材料，一直是材料學(xué)的研究熱點(diǎn)。自從2004年實(shí)驗(yàn)上成功制備以來，石墨烯（Graphene）這種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型蜂巢狀二維結(jié)構(gòu)，憑借其獨(dú)特的性能在碳材料領(lǐng)域備受關(guān)注。繼石墨烯之后，實(shí)驗(yàn)上分別制備出石墨炔（Grap hd iyne）等新的碳同素異形體。與石墨烯不同，石墨炔是以sp和sp2雜化形成的二維結(jié)構(gòu)，擁有更豐富的碳化學(xué)鍵，具有與很多石墨烯截然不同的性質(zhì)，甚至在某些性能上有望超越石墨烯，比如

2、其有天然的孔結(jié)構(gòu)、熱導(dǎo)率較低等特性。在傳統(tǒng)能源短缺、新能源亟待開發(fā)的大背景下，石墨炔體系具有良好的應(yīng)用前景。因此本文主要針對(duì)其孔結(jié)構(gòu)和低熱導(dǎo)特性，研究了石墨炔體系在鋰電池材料和熱電材料等能源領(lǐng)域的性能。取得的成果如下：
　?。?）石墨炔是以sp2和sp兩種雜化態(tài)形成的二維碳同素異形體。通過改變碳六元環(huán)之間炔鍵的數(shù)目，可以改變碳鏈的長(zhǎng)度，進(jìn)而得到不同代數(shù)的石墨炔。通過基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，我們研究了石墨炔體系的儲(chǔ)鋰性

3、能，結(jié)果表明石墨炔體系是一種理想的儲(chǔ)鋰材料，鋰原子通過向襯底轉(zhuǎn)移電荷而帶正電，彼此之間的庫侖排斥作用避免了鋰原子的團(tuán)簇化。通過比較石墨一炔到石墨五炔的儲(chǔ)鋰性能，發(fā)現(xiàn)對(duì)于石墨炔體系，并不是炔鍵數(shù)目越多，原子密度越低，結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)鋰性能就會(huì)越好，還需考慮炔鍵的增多對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。在保證石墨炔類結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的前提下，石墨二炔和石墨五炔可以達(dá)到LiC3的最大儲(chǔ)鋰量，對(duì)應(yīng)Li的平均吸附能分別為-2.00和-2.05 eV。
　?。?）通過將

4、石墨炔納米帶沿固定軸卷曲可以得到石墨炔納米管（GNT）這種一維材料，并且改變碳六元環(huán)之間炔鍵的數(shù)目，可得到不同代數(shù)的石墨炔納米管，記作GN T-n。利用非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬，我們對(duì)GN T體系的熱導(dǎo)性能進(jìn)行了研究，討論了代數(shù)n、直徑d和長(zhǎng)度L等變量對(duì)體系熱導(dǎo)率的影響。計(jì)算結(jié)果表明隨代數(shù)n增加，熱導(dǎo)率降低并遵循λ~n-0.57關(guān)系。直徑變化對(duì)體系熱導(dǎo)率的影響較弱，當(dāng)d>5 nm時(shí)遵循λ~d0.03關(guān)系。隨GNT體系長(zhǎng)度的增加，結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率也