氢在单壁碳纳米管中吸附的计算机模拟

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第25卷第6期太阳能学报VoL25．No．62004年l2月ACTAENERGIAESOIJARISSINICADec．，2004文章编号：0254-0096(2004)06-0764-05氢在单壁碳纳米管中吸附的计算机模拟张超，鲁雪生，顾安忠(上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海200030)摘要：采用巨正则系综蒙特卡罗(GrandCanonicalEnsembleMonteCarlo，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，

2、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。关键词：巨正则系综蒙特卡罗；单壁碳纳米管；吸附储氢中图分类号：TKS11文献标识码：Al_ennard—Jones(LJ)12：6势能模型，U势能模型能够U刖昌达到其它复杂势能模型(Crowell—Brown势能模型5J、碳纳米管被认为是最有前途的一种储氢材Silv

3、era—Goldman势能模型L6等)相同的精度，并且在料⋯，其吸附储氢能力高于活性碳2J。计算机模很大程度上节省了机时。U势能模型可以表示为：拟也给出了很好的结果J，其结果能满足美国能r)=48ijIf、r1，一f、r，1l源部提出的能量密度标准：重量密度为6．5wt％，体积密度为62kg／m。但是目前为止，还没有一种其中r表示两个粒子之间的距离，占。i和orii分别为粒子的U势能作用参数，氢分子和碳原子的U势令人信服的碳纳米材料能够得到大家的公认，一是能参数参见表1。交互作用参数采用Lorentz—Ber-因为价格的原因，另一个是实验测定的吸附储氢量thelot混合法则娟J，氢分

4、子的总势能可以分为两还达不到应用的能量密度标准。部份之和：一部分是氢分子与氢分子之间的势能；实验合成的不同结构碳纳米管和实验测定不同另一部分是氢分子与所有碳原子之间的势能。由于结构的碳纳米管吸附储氢性能过程很复杂，周期也在计算机模拟过程当中，连续势能总是要被截断，很长。采用计算机模拟可以大大缩小实验成本和减所以在计算过程当中分子之间的势能采用巨正则系少实验周期，也使实验过程具有针对性。本文利用统中广泛应用的截断漂移U势能(CSU)娟J，氢分子模拟的方法模拟了氢气在不同管径、不同管间分子之间的截断半径为5or，氢分子和碳原子之距(相邻管碳原子之间的最小距离，从碳原子中心间的截断半径为5

5、or。算起)碳纳米管中的吸附，揭示了碳纳米管径和碳纳米管管间距对吸附I生能的影响，从而得出不同表1氢分子和碳原子的LJ势能参数Table1TheLIpotentialparameterofHydrogen操作条件下最优的碳纳米结构。moleculesandcarbonatoms1势能模型在模拟过程当中，氢分子被看成为是球形颗粒。氢分子之间、氢分子和碳原子之间的相互作用采用收稿日期：2oo35．14基金项目：上海市科学技术发展基金项目(0116nm044)维普资讯http://www.cqvip.com6期张超等：氢在单壁碳纳米管中吸附的计算机模拟7652巨正则系综模拟方法3结果分析本

6、文采用巨正则系综蒙特卡罗(GrandCa-图1中显示了77K下管间距为0．32nm时的吸nonicalEnsembleMonteCarlo，GCEMC)方法附量等温线。由图中可以看出，在低压下，小管径对氢分子在开口的单壁碳纳米管中的吸附进行的碳纳米管吸附性能均优于大管径的碳纳米管。小了模拟。碳纳米管平行的排列在模拟盒子当中，管径的碳纳米管吸附空间较小，吸附空间主要包括其轴与z轴平行。模拟盒子的边长，Jx、Ly均为吸附势能强作用区域，在低压下就能很快的达到饱2×(D+G)(D为碳纳米管的直径，模拟盒长和，这与氢分子的化学位在低压下很快达到极大值10tr。碳纳米管以正四边形的方式排列。模

7、拟相符合¨。管径大的碳纳米管吸附空间较大，吸过程当中，体系的化学势、温度以及体积保持附空间包括碳纳米管势能强作用区间和碳纳米管势不变，在x、Y、z方向上均使用周期性边界条能弱作用区间，在碳纳米管势能强作用区间，势能件。在每一循环过程当中，等概率的进行三种作用站主导地位，很容易就达到吸附饱和。在碳纳尝试：在模拟盒中插入一个分子、删除一个分米管势能弱作用区，气体压缩作用占主导地位，只子以及移动一个分子。在模拟过程当中，各变有随着压力的不断升高，吸附储氢量才可以