鋁改性BN納米管穩(wěn)定性及儲(chǔ)氫性能的第一性原理研究

張 頌, 韓偉超, 吳學(xué)科, 黃 意, 梁冬梅,2(. 凱里學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院, 貴州 凱里55600; 2. 山東大學(xué) 物理學(xué)院, 山東 濟(jì)南 25000)

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鋁改性BN納米管穩(wěn)定性及儲(chǔ)氫性能的第一性原理研究

張 頌1, 韓偉超1, 吳學(xué)科1, 黃 意1, 梁冬梅1,2
(1. 凱里學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院, 貴州 凱里556001; 2. 山東大學(xué) 物理學(xué)院, 山東 濟(jì)南 250100)

采用基于密度泛函理論的第一性原理對(duì)Al原子摻雜BN納米管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電子屬性以及儲(chǔ)氫性能進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究.結(jié)果顯示:替換N原子后的Al原子突出納米管表面,破壞BN納米管的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,同時(shí)降低BN納米管的帶隙寬度,產(chǎn)生絕緣性向半導(dǎo)體性轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象.另外,摻雜后的BN納米管與氫分子間的相互作用為物理吸附,而且氫分子的吸附可進(jìn)一步提高納米管的穩(wěn)定性;當(dāng)納米管內(nèi)、外表面同時(shí)吸附氫時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最高,且一個(gè)Al原子可吸附5個(gè)氫分子.

改性BN納米管; 穩(wěn)定性; 儲(chǔ)氫性能; 第一性原理

人們采用理論和實(shí)驗(yàn)的方法預(yù)測(cè)并合成了BN納米管(BNNT)[1-2],許多實(shí)驗(yàn)和理論工作者在其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、機(jī)械性質(zhì)、化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性能和壓電效應(yīng)等方面做了許多研究.結(jié)果顯示:BNNT是一種很有潛在應(yīng)用價(jià)值的寬帶隙電子絕緣體納米材料,其帶隙寬度約為4.00～6.00 eV[3],同時(shí)此納米材料不僅具有很高的抗氧化能力、很強(qiáng)的柔韌性和壓電效應(yīng),還具有顯著的熱導(dǎo)效率特性,且BNNT的耐高溫、抗氧化、帶隙寬度等均不隨管徑大小、手性的不同而變化[4-7].因此,人們認(rèn)為BNNT穩(wěn)定性很強(qiáng),是用于設(shè)計(jì)新型功能納米材料的最好選擇.例如,由于BN納米管具有較大的表面積,而且又有與碳納米管相似的蜂窩狀結(jié)構(gòu),因此可將其用于設(shè)計(jì)氣體分子檢測(cè)裝置或者氫氣儲(chǔ)存媒介,主要是極大的表面積和蜂窩空隙可以給氣體分子提供較多的吸附位置[8-9].R. Z. Ma等的研究表明BN納米管是優(yōu)良的儲(chǔ)氫材料[10-11],但是,不久前的研究又顯示單純的BN納米管對(duì)氫的吸附和釋放比例還不能達(dá)到要求[12-14].另外,BN納米管與碳納米管的結(jié)構(gòu)外形雖相似,但性質(zhì)卻相差甚遠(yuǎn),主要是因?yàn)锽N納米管中N原子與B原子間的相互作用比碳納米管中碳原子間的相互作用強(qiáng),導(dǎo)致BN納米管非常穩(wěn)定,表面活性降低,儲(chǔ)氫效果不是很好,因此需要利用BN納米管進(jìn)行儲(chǔ)氫材料的研究,必須采用別的方法.

近年來(lái),人們?cè)诩傿NNT和改性BNNT的儲(chǔ)氫能力方面做了較多工作[10-14].研究發(fā)現(xiàn),單純BNNT的表面活性較微弱,也就是說(shuō)只能吸附極少的氫.然而,采用過(guò)渡金屬原子摻雜BNNT后,除具有磁性和表面活性增強(qiáng)外,還能吸附較多氫原子或氫分子[8].又如,采用鉑原子摻雜BN納米儲(chǔ)氫的研究指出,鉑原子的摻雜,不僅改變其帶隙值,激發(fā)表面活性,還使吸附氫的能力大幅度提升[8],這主要是由于過(guò)渡金屬原子中的自由電子在摻雜過(guò)程中向B、N原子轉(zhuǎn)移,增強(qiáng)電子云的重疊程度,提高表面活性所致.此外,E. Shakerzadeh等[12]利用基于密度泛函理論的第一性原理對(duì)順鉑(cis-platin)和奈達(dá)鉑(neda-platin)2種抗癌物質(zhì)與Al原子摻雜的BN納米管表面的相互作用進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),順鉑和奈達(dá)鉑與鋁摻雜的BN納米管間的相互作用很強(qiáng),2種抗癌物質(zhì)能緊緊吸附在Al原子周圍,這表明Al原子的摻雜確實(shí)提高了BN納米管的吸附能力.再者,早期使用密度泛函理論對(duì)鋁氫二元混合團(tuán)簇的研究指出,Al原子與氫原子所形成的團(tuán)簇中有許多幻數(shù)尺寸已被預(yù)測(cè),這說(shuō)明Al原子與氫原子間存在較強(qiáng)的相互作用,且能形成極其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[15].

綜上所述,利用Al原子可以提高BN納米管的表面活性,而且Al原子與氫原子的相互作用又較強(qiáng),因此,考慮鋁摻雜后的BN納米管對(duì)氫的吸附可能會(huì)尋找到更好的儲(chǔ)氫材料.此外,目前還沒(méi)有關(guān)于Al原子改性BN納米管穩(wěn)定性和儲(chǔ)氫性能的研究,因此本文利用基于密度泛函理論的第一性原理先考慮Al原子摻雜BN納米管后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及電子屬性,再考慮摻雜后的納米管吸附氫的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、電子性質(zhì)和相關(guān)的吸附機(jī)制,也許會(huì)發(fā)現(xiàn)新的改性BN納米管儲(chǔ)氫材料,為相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究做理論先導(dǎo).

1 計(jì)算方法

本文采用具有周期性的扶手椅型BN納米管(6,6)作為模擬計(jì)算的模型,所使用的晶胞由2個(gè)BN納米管原胞構(gòu)成,共包含72個(gè)原子(B36N36).為考慮計(jì)算的準(zhǔn)確性,過(guò)程中選擇廣義梯度框架下的PBE交換關(guān)聯(lián)勢(shì)、基于密度泛函理論的半核贗勢(shì)(DSPP)和包含p軌道極化函數(shù)的雙數(shù)值基組(DNP),已有的研究證實(shí)PBE交換關(guān)聯(lián)勢(shì)是模擬計(jì)算改性BN納米管結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的最好選擇[8].結(jié)構(gòu)優(yōu)化和各種性質(zhì)計(jì)算中均采用1×1×9的k點(diǎn)網(wǎng)格(由Monkhorst-Pack scheme方案自動(dòng)生成,以Gamma點(diǎn)為中心),為了防止BN納米管間出現(xiàn)相互作用,所有的初始構(gòu)型都使用包含周期性邊界條件(20×20×7.38×10-3) nm3的超晶胞,其中0.738 nm代表超胞中軸向納米管的長(zhǎng)度,該長(zhǎng)度剛好是BN納米管原胞軸向長(zhǎng)度的2倍.此外,能量梯度、總能和原子位移的收斂精度分別為1×10-4eV/nm、1×10-6eV和5×10-3eV/nm.

整個(gè)計(jì)算分2步進(jìn)行.首先計(jì)算利用一個(gè)Al原子替換晶胞中間一個(gè)N原子后的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),獲得鋁改性BN納米管模型(Al-BNNT),其次考慮Al-BNNT結(jié)構(gòu)中Al原子附近氫的吸附行為,具體分為氫分子分別集中于BN納米管外表面、內(nèi)表面和內(nèi)、外表面都有等3種情況.另外,按不同方向、不同比例逐個(gè)添加氫分子,并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和相關(guān)性質(zhì)的計(jì)算,通過(guò)能量最低原理獲得最穩(wěn)定的Al-BNNT+nH2(n=1～7)構(gòu)型.例如,對(duì)于Al-BNNT+2H2結(jié)構(gòu),在初步建模的時(shí)候,分別考慮2個(gè)氫分子都在改性BN納米管的外表面、都在內(nèi)表面和1個(gè)氫分子在外表面,另一個(gè)氫分子在內(nèi)表面等情況,同時(shí)每種情況中還需要考慮氫分子的軸線分別平行、垂直于鋁改性BN納米管的軸向.本文所有計(jì)算都是利用基于密度泛函理論的Dmol3程序包完成的[16].眾所周知,基于密度泛函理論的第一性原理已在低微納米材料的模擬、設(shè)計(jì)以及開(kāi)發(fā)等方面取得許多成果[17-21],利用第一性原理對(duì)氮化硼納米管儲(chǔ)氫性能的研究具有很高的可行的.

2 結(jié)果與討論

本節(jié)重點(diǎn)討論Al原子的摻雜給BN納米管結(jié)構(gòu)和性質(zhì)帶來(lái)的影響,并將其與已有的研究進(jìn)行比較,以及摻雜后的納米管對(duì)氫分子的吸附機(jī)制,給出鋁改性BN納米管后的儲(chǔ)氫規(guī)律.文中所有計(jì)算結(jié)果都列于表1中,雖然對(duì)每個(gè)尺寸都優(yōu)化較多構(gòu)型(鋁摻雜BN納米管的結(jié)構(gòu)僅考慮一個(gè)),但為簡(jiǎn)單起見(jiàn),圖1中僅給出最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu).

表 1 本文的所有計(jì)算值

2.1 鋁改性BN納米管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 對(duì)于只有Al原子摻雜的BN納米管(Al-BNNT),Al原子到3個(gè)最近鄰B原子鍵長(zhǎng)的平均值為0.227 5 nm,此鍵長(zhǎng)平均值比未經(jīng)摻雜BN納米管中N原子與B原子間鍵長(zhǎng)(0.143 8 nm)大許多,說(shuō)明BN納米管的對(duì)稱性已被摻雜的Al原子破壞,由于Al原子較輕,半徑又較B、N原子大,因此被排擠到納米管表面.另外,根據(jù)表1,從Mulliken原子電荷Q與帶隙寬度Gap知,將1個(gè)Al原子替換1個(gè)N原子后,Al原子貢獻(xiàn)出0.481 e與最近鄰B原子成鍵,并且使BN納米管的帶隙從4.77 eV直降到1.94 eV,說(shuō)明Al原子的摻雜可使BN納米管從絕緣性向半導(dǎo)體性轉(zhuǎn)變.

2.2 鋁改性BN納米管的儲(chǔ)氫性能 為了探索摻雜BN納米管吸附氫分子(Al-BNNT+nH2,n=1～7)的物理機(jī)制,進(jìn)一步考慮摻雜納米管與氫相互作用后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電子屬性以及對(duì)氫的吸附性能.從圖1和表1中能很明顯的看出,當(dāng)Al-BNNT吸附氫分子后,雖然幾何結(jié)構(gòu)沒(méi)有很顯著的變化,但是Al原子與最近鄰3個(gè)B原子間鍵長(zhǎng)的平均值A(chǔ)l-B都比Al-BNNT中對(duì)應(yīng)的平均鍵長(zhǎng)小,這說(shuō)明在考慮氫原子的吸附后Al-BNNT的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到增強(qiáng).另外,從圖1中還可以看出,氫分子在摻雜后的BN納米管內(nèi)、外都有吸附.同時(shí),最低能量構(gòu)型Al-BNNT+nH2(n=1～7)中Al原子與最近鄰3個(gè)B原子間距離的平均值隨總原子數(shù)的增加從0.227 0 nm先微弱增長(zhǎng),后約等于0.227 2 nm.此外,隨著氫分子數(shù)的增加,鋁的Mulliken原子電荷Q沒(méi)有顯著的變化,這說(shuō)明氫分子與Al-BNNT結(jié)構(gòu)間的相互作用相對(duì)較弱.此外,氫分子的鍵長(zhǎng)處于0.075 1到0.075 4 nm的范圍內(nèi),均大于自由狀態(tài)下氫分子的鍵長(zhǎng)(0.074 nm)[22],證明在Al-BNNT吸附氫分子的過(guò)程中,氫分子中2個(gè)原子間的距離被拉長(zhǎng),主要是由于Al原子的極化效應(yīng)所致.

為進(jìn)一步探索Al-BNNT與氫分子間的相互作用機(jī)制,于是系統(tǒng)考慮Al摻雜BN納米管對(duì)氫分子的吸附能Eab,其表達(dá)式定義如下:

Eab=E(Al-BNNT+(n-1)H2)+E(H2)-E(Al-BNNT+nH2),n=1～7,

這里,E(Al-BNNT+(n-1)H2)和E(Al-BNNT+nH2)分別表示當(dāng)n取不同值時(shí)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的總能量,而E(H2)表示自由氫分子的總能量,所有吸附能的計(jì)算值都列于表1中.很明顯,隨著氫分子數(shù)目的增加,吸附能從0.003增加到0.023 eV,指出鋁摻雜BN納米管對(duì)氫分子的吸附能力逐漸增強(qiáng),但最多能吸附5個(gè)氫分子.因?yàn)?當(dāng)n=6,7時(shí)吸附能為負(fù)值,說(shuō)明該反應(yīng)為吸熱反應(yīng),只有當(dāng)外界提供相應(yīng)的能量時(shí)才能完成,表明Al原子可以是改性BN納米管儲(chǔ)氫研究的更好選擇.同時(shí),較低的吸附能和氫分子與Al原子間稍大的距離Al-H2,說(shuō)明鋁摻雜BN納米管對(duì)氫分子的吸附是物理吸附,已有的研究指出較低的吸附能量可方便在室溫下進(jìn)行儲(chǔ)氫和釋氫反應(yīng).

3 結(jié)論

本文利用基于密度泛函理論的第一性原理對(duì)鋁改性BN納米管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和儲(chǔ)氫性能進(jìn)行比較系統(tǒng)的研究,得到如下結(jié)論:

1) Al原子的摻雜雖然稍稍破壞納米管的對(duì)稱性,但是顯著降低其帶隙寬度,使其從電子絕緣體向半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化.

2) 在改性BN納米管上吸附氫分子后,納米管的穩(wěn)定性稍稍增強(qiáng),說(shuō)明該種類納米管在儲(chǔ)氫材料設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值.

3) 每個(gè)Al原子能吸附5個(gè)氫分子,且吸附為物理吸附,這方便在常溫下進(jìn)行氫氣的儲(chǔ)存和釋放.

致謝 凱里學(xué)院基金(Z1405、Z1429和Z1404)對(duì)本文給予了資助，謹(jǐn)致謝意.

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(編輯 余 毅)

Study on the Stability and Hydrogen Storage Capacity of Al Atom Doped Boron Nitride Nanotube by First-principles

ZHANG Song1, HAN Weichao1, WU Xueke1, HUANG Yi1, LIANG Dongmei1,2
(1.SchoolofPhysicsandElectronicEngineering,KailiUniversity,Kaili556001,Guizhou;2.SchoolofPhysicalScience,ShandongUniversity,Jinan250100,Shandong)

The structural stability, electrical properties and storage property of Al doped boron nitride nanotube have been investigated by using first-principles based on density functional theory. It shows that the Al atom is prominent to surface after replacing one N atom and the symmetry of boron nitride nanotube has been destroyed. Furthermore, the band gap has been reduced, which suggests that the transformation phenomenon is from insulation to semiconductor. In addition, the adsorption mechanism between doped nanotube and hydrogen molecules is known as physical absorption, and the stability of doped nanotube has been enhanced after absorbing hydrogen molecules. Then, the doped nanotube, which adsorbs hydrogen molecules in both inner and outer surface, has the highest stability, for five hydrogen molecules absorption.

doped boron nitride nanotube; stability; hydrogen storage property; first-principles

2014-08-26

貴州省科技廳聯(lián)合基金(黔科合J字LKK[2013]26號(hào))、貴州省科學(xué)技術(shù)基金(黔科合J字[2011]2114號(hào)、黔科合J字[2013]2262號(hào))和貴州省教育廳基金(黔教合KY字[2012]061號(hào)、黔教合人才團(tuán)隊(duì)字[2012]06號(hào))

張 頌(1985—),男,講師,主要從事凝聚態(tài)理論與計(jì)算的研究,E-mail:zhangsong.3435@163.com

O647.32

A

1001-8395(2015)06-0893-05

10.3969/j.issn.1001-8395.2015.06.020