摻雜其他元素碳納米管的研究及應(yīng)用

黃詩(shī)喆

（長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130026）

摻雜其他元素碳納米管的研究及應(yīng)用

黃詩(shī)喆

（長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130026）

通過(guò)運(yùn)用密度泛函理論對(duì)單壁碳納米管摻雜氮、鐵原子摻雜缺陷進(jìn)行詳細(xì)研究與分析，并詳細(xì)介紹氮、鐵元素?fù)诫s的碳納米管在車輛上的應(yīng)用，以便促進(jìn)碳納米管技術(shù)在汽車工業(yè)上的蓬勃發(fā)展。

碳納米管；摻雜缺陷；密度泛函；應(yīng)用

碳納米管（CNT）作為一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維納米材料，自1991年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直備受矚目。這種特殊的納米材料在力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和化學(xué)等方面表現(xiàn)出的優(yōu)異性能，使它在場(chǎng)發(fā)射、儲(chǔ)氫材料、電容器、復(fù)合材料及催化等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，研制工作也取得了相當(dāng)大的進(jìn)展［1］。本文基于碳納米管的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)［2-4］，對(duì)單壁碳納米管摻雜缺陷及其振動(dòng)模式進(jìn)行研究。

1 碳納米管的結(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)

1.1 結(jié)構(gòu)

碳納米管是由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成的同軸圓管，也可以說(shuō)是石墨稀片層卷曲而成。按石墨烯片的層數(shù)可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管兩類。其中，含有一層石墨烯片層的稱為單壁納米碳管，多于一層的則稱為多壁納米碳管。單壁碳納米管常具有較高的化學(xué)惰性，化學(xué)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，長(zhǎng)度一般在百納米到幾微米，直徑通常在1～3 nm。2017年1月，香港科技大學(xué)物理系2位博士宣布合成出全球最細(xì)的直徑僅有0.4 nm的單壁碳納米管。多壁碳納米管隨著碳納米管管壁層數(shù)的增加，缺陷和化學(xué)反應(yīng)性增強(qiáng)，表面化學(xué)結(jié)構(gòu)也會(huì)趨向復(fù)雜化，多壁納米碳管長(zhǎng)度在微米量級(jí)，最長(zhǎng)者可達(dá)數(shù)毫米，直徑在納米級(jí)，層間距約0.34～0.4 nm。

1.2 基本性質(zhì)

1）光學(xué)性能 碳納米管光學(xué)偏振性、相關(guān)性、發(fā)光性能好，對(duì)紅外輻射的敏感性高［5］。

2）力學(xué)性能 由于C-C共價(jià)鍵是自然界最強(qiáng)的共價(jià)鍵之一，因而碳納米管具有高韌性、高強(qiáng)度、高彈性模量的特性。其抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200 GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6；彈性模量為鋼的5倍，硬度與金剛石相當(dāng)，但有良好的柔韌性，可以拉伸，長(zhǎng)徑比一般可達(dá)1000∶1以上。另外，碳納米管的熔點(diǎn)也是已知材料中最高的。碳納米管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其與其它工程材料一起形成的復(fù)合材料也表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性。

3）電磁性能 碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的導(dǎo)電性、很高的熱穩(wěn)定性和本征遷移率，比表大，微孔集中在一定的范圍內(nèi)，滿足理想的超級(jí)電容器電極材料的要求。

4）傳熱性能 非常大的長(zhǎng)徑比，使碳納米管可以合成很好的熱傳導(dǎo)材料。碳納米管還具有耐高溫性和較高的熱導(dǎo)率［6］。

5）化學(xué)性能 碳納米管已被用于分散和穩(wěn)定納米級(jí)的金屬小顆粒。由碳納米管制得的催化劑可以改善多相催化的選擇［7］。

2 碳納米管的摻雜缺陷與密度泛函理論

對(duì)碳納米管進(jìn)行摻雜可有效改變其電子、振動(dòng)、機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)，通過(guò)定向摻雜其他元素從而得到希望的優(yōu)良性能。摻雜主要分為外部摻雜、內(nèi)部摻雜以及層內(nèi)摻雜3種［8］。密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，而電子密度本身又是電子空間位置的函數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)為不僅考慮相互作用，而且也考慮到關(guān)聯(lián)作用，對(duì)描述的固體給出比較精確的理論值。用Hartree-fock［9］方法計(jì)算小分子結(jié)果一般令人滿意，但在處理離子、重金屬原子等體系，尤其是計(jì)算勢(shì)能面時(shí)，HF方法沒(méi)有全面考慮電子相關(guān)效應(yīng)的缺陷就明顯表露出來(lái)。

3 研究?jī)?nèi)容

本文構(gòu)建如下模型并進(jìn)行優(yōu)化，以便之后的計(jì)算和振動(dòng)模式分析，分別計(jì)算不同多重度的摻雜原子（5，5）碳納米管能量差值，相對(duì)能量差值，確定基態(tài)作為以后的研究對(duì)象。同時(shí)，分析摻雜不同原子的拉曼光譜［10］、紅外光譜、電荷布居、態(tài)密度分布圖，以確定摻雜原子對(duì)純碳納米管在振動(dòng)模式和電子結(jié)構(gòu)上的影響。

4 結(jié)果討論

本文采用相對(duì)論密度泛函理論對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，并且采用了贗勢(shì)基組，贗勢(shì)即不計(jì)算內(nèi)層電子，而是把內(nèi)層電子的貢獻(xiàn)用一個(gè)勢(shì)來(lái)描述，適用于重元素。贗勢(shì)基組，實(shí)際上包括贗勢(shì)和基組2個(gè)部分：內(nèi)層電子采用贗勢(shì)［11］，即Effective Core Potential （ECP）；外層價(jià)電子采用一般的基組。該基組的穩(wěn)定性已在以往的研究中證明。通過(guò)Gauss View建立碳納米管模型，進(jìn)行優(yōu)化后得到符合研究需求的單壁碳納米管模型。

圖1中鐵原子摻雜明顯改變了碳納米管的結(jié)構(gòu)。分別計(jì)算3個(gè)不同多重度的摻雜單個(gè)鐵原子的碳納米管和2個(gè)不同多重度的摻雜單個(gè)氮原子的（5，5）碳納米管，以及計(jì)算其能量差值與相對(duì)能量差值。如表1所示的單重態(tài)鐵原子和表2所示的二重態(tài)氮原子摻雜的碳納米管攜帶的能量最低，其能量軌道最低原子也相對(duì)最不活躍，結(jié)構(gòu)相比三重態(tài)、五重態(tài)要穩(wěn)定得多。從相對(duì)能量的差值來(lái)看，由于三重態(tài)、五重態(tài)攜帶的能量多于單重態(tài)所攜帶的能量，從穩(wěn)定性角度考慮，筆者采用能量最低的摻雜單個(gè)鐵原子的（5，5）碳納米管和摻雜單個(gè)氮原子的（5，5）碳納米管作為研究對(duì)象，也就是基態(tài)［12］。

圖1 鐵原子摻雜缺陷碳納米管圖及結(jié)構(gòu)示意圖

表1 不同多重度的摻雜碳納米管能量對(duì)比

表2 3種碳納米管的結(jié)構(gòu)對(duì)比

從表1、表2中可以看到，因?yàn)閾诫s了其他元素，碳納米管與原管之間存在能量差以及結(jié)構(gòu)上的差異。

紅外光譜和拉曼光譜是進(jìn)行碳材料表面研究的有力手段，對(duì)于了解碳材料的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)具有重要作用，用它們對(duì)不同頻率的碳納米管進(jìn)行觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)其3種振動(dòng)模式：經(jīng)向膜振動(dòng)、切向膜振動(dòng)和呼吸膜振動(dòng)。純碳納米管與摻雜元素的納米管振動(dòng)模式的頻率不同，例如，切向膜在純碳納米管中比在摻雜氮原子的碳納米管所在的頻率低，會(huì)發(fā)生紅移［13］。這是摻雜原子對(duì)碳納米管結(jié)構(gòu)上造成的影響。

圖2為原管的徑向膜切向膜，筆者通過(guò)與原管振動(dòng)模式所在頻率的對(duì)比研究摻雜原子對(duì)碳納米管振動(dòng)模式的影響。因?yàn)閾诫s原子的影響，碳納米管的特征振動(dòng)模式的所在頻率發(fā)生了變化。

圖2 純碳納米管徑向膜和切向膜

通過(guò)與圖2做對(duì)比，從圖3的矢量可以看出，氮原子摻雜并未對(duì)碳納米管的結(jié)構(gòu)造成較大影響，碳納米管依舊在不同的頻率保留了特征振動(dòng)模式。

圖3 摻雜氮原子缺陷碳納米管切向膜和經(jīng)向膜

局域在鐵原子周圍的特征振動(dòng)模式，鐵原子振動(dòng)非常明顯，矢量圖上顯示的非常明顯，與碳納米管摻雜鐵原子一端連接的碳原子振動(dòng)的幅度非常大，振動(dòng)頻頻也較高，如圖4所示。而圖5中氮原子摻雜碳納米管中間摻雜的氮原子振動(dòng)極為強(qiáng)烈，其振動(dòng)矢量的值最大，由它帶動(dòng)的周圍的碳原子也有一定的振幅，其余碳原子的振動(dòng)矢量的值非常小，且氮原子周圍的碳原子振動(dòng)具有一定的對(duì)稱性，圖中氮原子左側(cè)與氮原子右側(cè)的振動(dòng)頻率幾乎一致，方向也對(duì)稱。

圖4 局域摻雜鐵原子的特征振動(dòng)模式圖

圖5 局域在氮原子的特征振動(dòng)模式圖

在鐵原子摻雜碳納米管中，3種特征振動(dòng)模式都未發(fā)現(xiàn)，這種相對(duì)于純碳納米管的區(qū)別很明顯是由于單個(gè)鐵原子摻雜純碳納米管造成的較大的結(jié)構(gòu)變化，從而影響了碳納米管的振動(dòng)頻率和振動(dòng)矢量。

其他碳原子的振動(dòng)頻率和幅度都很低，從矢量圖可判斷是鐵原子摻雜碳納米管造成的明顯影響，使其周圍碳原子的振動(dòng)變得更加劇烈，雖然其振動(dòng)幅度較大，但其周圍碳原子的振動(dòng)卻十分規(guī)律。由于筆者的研究對(duì)象僅僅考慮碳納米管上碳原子和摻雜原子的振動(dòng)模式，故2端氫原子的振動(dòng)不予考慮。

N摻雜的自旋密度中電子均勻的分布在碳納米管上，可以看出氮原子摻雜對(duì)碳納米管電子自旋密度的影響幾乎沒(méi)有，如圖6所示。由于氮原子摻雜缺陷的碳納米管的基態(tài)為二重態(tài)，凈自旋電子為1，計(jì)算文件中N原子上的自旋中電子數(shù)為-0.004665，說(shuō)明這是1個(gè)凈自旋電子（即由碳納米管上的碳原子貢獻(xiàn)的），與氮原子無(wú)關(guān)。

氮原子攜帶大量負(fù)電荷成負(fù)電性，氮原子周圍的3個(gè)碳原子都帶正電成正電性，除了與氫原子、氮原子相連的碳原子，其他碳原子不帶電，與氫原子相連的碳原子因?yàn)闅鋷д娝赃@些碳原子也帶了少量的負(fù)電點(diǎn)，所以在碳納米管中部和2端有明顯下降。

鐵原子摻雜的碳納米管除了與鐵原子附近的帶負(fù)電電荷外，還有1個(gè)帶1.342正電的鐵原子，其周圍有3個(gè)分別攜帶-0.202、-0.202、-0.157負(fù)電的碳原子，所以在中部電荷量上升。但是，由于周圍帶少量負(fù)電的碳原子過(guò)多，總體電荷并不能超過(guò)其他管壁的最高點(diǎn)，缺陷摻雜原子處于碳納米管正中間，所以電荷布居大體上是左右對(duì)稱的。

從圖1a了解到摻雜鐵原子在碳納米管所在的位置，再參照?qǐng)D7中鐵原子摻雜的軌道，可以看出此摻雜對(duì)最低非占據(jù)軌道上有主要影響，LUMO軌道局域在鐵原子周圍。在HOMO軌道局域在鐵原子周圍較少，可以看出鐵原子的d軌道還是有一定的貢獻(xiàn)，如圖8所示。

圖6 氮原子摻雜缺陷碳納米管自旋密度圖

圖7 鐵原子摻雜缺陷碳納米管LUMO

圖8 鐵原子摻雜缺陷碳納米管HOMO

HOMO-1軌道上在總體來(lái)說(shuō)比較離域，在摻雜原子附近相對(duì)局域，這是由鐵原子一條鐵原子的d軌道貢獻(xiàn)的，如圖9所示。HOMO-2軌道分布與HOMO-1相似，也是在摻雜原子周圍相對(duì)局域，也包含鐵原子的d軌道貢獻(xiàn)，如圖10所示。

圖9 鐵原子摻雜缺陷碳納米管HOMO-1

圖10 鐵原子摻雜缺陷碳納米HOMO-2

通過(guò)圖11，我們有了解到摻雜氮原子在碳納米管中的位置，知道氮摻雜碳納米管氮原子在最低非占據(jù)軌道上能態(tài)大量局域在氮原子周圍（圖12），可見(jiàn)氮原子摻雜在LUMO上的影響非常大。在HOMO上能態(tài)幾乎均勻分布在能態(tài)周圍，可見(jiàn)氮原子摻雜在此軌道上幾乎沒(méi)有影響，如圖13所示。

圖11 氮原子摻雜缺陷碳納米管結(jié)構(gòu)圖

圖12 氮原子摻雜缺陷碳納米管 LUMO

圖13 氮原子摻雜缺陷碳納米HOMO

根據(jù)表3計(jì)算所得的結(jié)果，純碳納米管的能隙值最大，其導(dǎo)電性比強(qiáng)于摻雜氮原子缺陷碳納米管和摻雜鐵原子缺陷碳納米管。

表3 能隙分析表

在-5.8eV的能量，純碳納米管的軌道集中在碳納米管的中段位置，鐵原子摻雜的碳納米管的軌道顯示出明顯的局域特性，如圖14所示。摻雜N原子的碳納米管的對(duì)應(yīng)軌道雖然比較離域，但是分布不均勻，可以看出摻雜原子對(duì)碳納米管的軌道及態(tài)密度分布有一定的影響，如圖15所示。

圖14 摻雜氮原子缺陷碳納米管的軌道

圖15 純碳納米管的軌道

5 氮、鐵原子摻雜碳納米管的應(yīng)用

不同原子替換摻雜對(duì)碳納米管的結(jié)構(gòu)會(huì)有影響，在純碳納米管中比在摻雜原子的碳納米管所在的頻率低，會(huì)發(fā)生紅移。鐵原子摻雜缺陷碳納米管凈自旋電子為0，氮原子摻雜缺陷碳納米管凈自旋電子為1，但與氮原子無(wú)關(guān)，由于摻雜了氮原子、鐵原子電荷布局發(fā)生了較大變化。摻雜氮原子、鐵原子缺陷為前線分布軌道的活躍提供了條件，從能隙值可判斷2種摻雜缺陷均提高了碳納米管的導(dǎo)電性，因此可以看出摻雜缺陷對(duì)定向生產(chǎn)碳納米管提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

5.1 儲(chǔ)氫材料

氫能作為汽車燃料方面的1種潔凈可再生能源儲(chǔ)量充足，燃燒效率高，被寄納米管的中空結(jié)構(gòu)，以及較石墨（0.335 nm）略大的層間距（0.343 nm），予很大期望。碳再加上鋰摻雜的多壁碳納米管更是使其表現(xiàn)出來(lái)驕人的儲(chǔ)氫性能。采用鋰原子摻雜，采用最佳的摻雜方案［15］，一方面可以提高了單壁碳納米管的儲(chǔ)氫能力，同時(shí)亦增加了儲(chǔ)氫系統(tǒng)的總重量，為車輛能源提供了更廣泛的選擇。

中國(guó)也非常重視氫燃料汽車發(fā)展，其中福田汽車在近10年來(lái)一直致力于氫燃料電池客車的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，其歐輝氫燃料電池客車能夠?qū)崿F(xiàn)真正的零污染排放，加注氫氣10 min，續(xù)航里程可達(dá)500 km。雖然，氫燃料電池汽車能真正實(shí)現(xiàn)零排放、零污染，但其燃料電池堆及高壓儲(chǔ)氫罐的研發(fā)成本高、加氫站配套設(shè)施滯后等原因，這種清潔能源的汽車暫時(shí)還沒(méi)有獲得市場(chǎng)的極力點(diǎn)贊。不過(guò)，隨著碳納米管技術(shù)和材料的進(jìn)一步發(fā)展，各國(guó)各方聯(lián)動(dòng)，筆者相信相關(guān)問(wèn)題一定會(huì)得到很好解決。

5.2 超級(jí)電容器

氮原子摻雜會(huì)降低碳納米管中石墨化層HOMO與LUMO的能帶，提高電子的流動(dòng)性。且N官能團(tuán)為電子供體與電解質(zhì)作用提供贗電容，放電時(shí)沒(méi)有容量損失與歐姆降。另外含氮官能團(tuán)能改善材料的溶蝕性能。因?yàn)閾诫s氮原子碳納米管具有較好的超級(jí)電容器性能。超級(jí)電容器的極限容量可以提升3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，容量可達(dá)到近1 000 F，循環(huán)壽命在10 000次以上。在電動(dòng)汽車的起動(dòng)、加速和上坡行駛中極具意義。為此各國(guó)非常重視對(duì)超級(jí)電容器的研究，歐洲共同體和美國(guó)能源部門在上個(gè)世紀(jì)末就制定了相應(yīng)的發(fā)展研究計(jì)劃。近期有報(bào)道稱中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所國(guó)際實(shí)驗(yàn)室研究員陳韋課題組設(shè)計(jì)制備了1種MOF結(jié)構(gòu)多孔碳材料，并基于該材料成功構(gòu)筑了兼具力學(xué)柔韌性與高儲(chǔ)能特性的柔性超級(jí)電容器。這種新材料具有高氮摻雜（17.82 %）、高比表面積（920 m2g-1）、窄孔分布（2.5 nm）以及高導(dǎo)電性（278 Sm-1）等特性。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上看，碳納米管不僅提高了材料導(dǎo)電性，而且賦予了材料連續(xù)性與柔韌性；另一方面，MOF結(jié)構(gòu)則起到吸附容納離子的作用。研究表明，新材料在水體系下測(cè)得的比電容高達(dá)426 Fg-1，并且歷經(jīng)1萬(wàn)次循環(huán)后性能不衰減。

因此，超級(jí)電容器作為1種新型儲(chǔ)能器件，具有高功率密度、快速充放電、長(zhǎng)循環(huán)壽命和更好的安全性能等優(yōu)點(diǎn)，在消費(fèi)電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車啟停和工業(yè)能源管理系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

5.3 鋰離子電池

鋰離子電池具有體積小、輕便、比能量高、安全、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在手機(jī)、筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備上普及應(yīng)用。鑒于傳統(tǒng)能源的發(fā)展出現(xiàn)瓶頸，鋰離子電池在混合動(dòng)力汽車上的應(yīng)用也得到推崇，而納米碳管的特殊微觀結(jié)構(gòu)有利于鋰離子的嵌入與遷出，為鋰離子電池作為負(fù)極材料提供了理論基礎(chǔ)。不同碳納米管之間的空隙和內(nèi)部空間可以摻雜堿金屬，Li原子在碳納米管中摻雜，使鋰離子電池朝高能量密度方向發(fā)展，并最終成為電動(dòng)汽車的配套，真正成為工業(yè)應(yīng)用的非石化發(fā)電的綠色可持續(xù)能源，因此要求材料具有高的可逆容量。碳納米管的層間距略大于石墨的層間距，充放電容量大于石墨，而且碳納米管的筒狀結(jié)構(gòu)在多次充—放電循環(huán)后不會(huì)塌陷，循環(huán)性好。堿金屬如鋰離子和碳納米管發(fā)生較強(qiáng)的相互作用，以碳納米管為負(fù)極材料做成的鋰電池的首次放電容量高達(dá)1 600 mAh/g，可逆容量為700 mAh/g，遠(yuǎn)大于石墨的理論可逆容量372 mAh/g。碳納米管的發(fā)展使得更多的產(chǎn)業(yè)在技術(shù)上有了更多的出路與提升［14-15］。

6 小結(jié)

碳納米材料作為當(dāng)今材料科學(xué)領(lǐng)域深受青睞的明星材料之一，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及其性能顯露出了它們?cè)诟黝I(lǐng)域的潛在價(jià)值。而氮、鐵原子摻雜碳納米管碳納米管，也因?yàn)槠涮厥獾奈锢硇再|(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，在汽車的材料和電子器件等方面存在巨大的應(yīng)用前景。為此，工業(yè)大國(guó)都加大研發(fā)力度，對(duì)碳納米管等材料展開(kāi)深入研究，并在相關(guān)方面取得了顯著成就。然而與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)汽車工業(yè)還存有差距，期待碳納米管技術(shù)的蓬勃發(fā)展能促進(jìn)汽車工業(yè)的發(fā)展，并取得一定的社會(huì)效益。

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（編輯 凌 波）

Research of Carbon Nanotubes with Other Elements Doping

HUANG Shi-zhe
（Changchun University of Science and Technology, Changchun 130026）

In this article， the density functional theory is applied to study defects of doping nitrogen and iron atoms in single wall carbon nanotubes. Then its applications in vehicles are introduced.

carbon nanotubes; doping defect; density functional theory; application

U463.633

A

1003-8639（2017）06-0057-05

2017-03-16

黃詩(shī)喆（1993-），男，北京人，主要研究方向?yàn)樘技{米管材料的發(fā)展和應(yīng)用。