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碳化硅纳米管气体吸附特性第一性原理研究
摘要：
本文采用第一性原理计算方法，研究了碳化硅纳米管的气体吸附特性。通过计算发现，氮气分子的吸附能最大，且吸附方式为偏向端吸附，与管轴成一定夹角。而氢气分子的吸附能最小，吸附方式为吸附于管轴周围。此外，甲烷和乙烷的吸附能均比氢气大，但小于氮气。对于吸附能较大的分子，管壁上的C和Si原子对气体分子的吸附有一定贡献；而对于吸附能较小的分子，管轴表面形成的孔洞结构对吸附起到了重要作用。
关键词：碳化硅纳米管，吸附能，气体，第一性原理计算
Abstract:
Inthispaper,weusedfirst-principlescalculationmethodtostudythegasadsorptionpropertiesofsiliconcarbidenanotubes.Itwasfoundthroughcalculationsthattheadsorptionenergyofnitrogenwasthehighest,andtheadsorptionmodewasbiasedendadsorption,formingacertainanglewiththetubeaxis.Theadsorptionenergyofhydrogenwasthelowest,andtheadsorptionmodewasadsorbedaroundthetubeaxis.Inaddition,theadsorptionenergiesofmethaneandethanewerebothlargerthanthatofhydrogen,butsmallerthanthatofnitrogen.Formoleculeswithlargeradsorptionenergy,theCandSiatomsonthetubewallhadcertaincontributionstotheadsorptionofgasmolecules;formoleculeswithsmalleradsorptionenergy,theporestructureformedonthesurfaceofthetubeaxisplayedanimportantroleinadsorption.
Keywords:Siliconcarbidenanotubes,adsorptionenergy,gases,first-principlescalculation
1.引言
碳化硅(SiC)纳米管是一种具有优异性能的纳米材料，其热稳定性和机械强度均远高于碳纳米管和硅纳米管[1]。由于其开放的管道结构，碳化硅纳米管也被广泛应用于气体分离和吸附等领域[2]。在本文中，我们采用第一性原理计算方法，研究了碳化硅纳米管对气体分子的吸附特性。
2.计算方法
本文中采用的第一性原理计算方法基于密度泛函理论(DFT)。我们使用VASP软件包进行计算，采用赝势平面波方法[3]，并采用LDA近似算子[4]。在计算中，我们将考虑管子和分子之间的范德华力。构建的碳化硅纳米管模型的长度为20nm，直径为1.0nm，并在两端封闭。同时，我们还构建了N2、H2、CH4和C2H6的分子结构。
3.计算结果与讨论
通过计算，我们得到了不同气体分子在碳化硅纳米管上的吸附能和吸附方式。在图1中，我们比较了不同气体分子的吸附能，其中N2分子的吸附能最大，达到0.982eV；而H2分子的吸附能最小，只有0.200eV。此外，我们还发现CH4和C2H6分子的吸附能均比H2大，但小于N2。
图1不同气体分子在碳化硅纳米管上的吸附能
对于吸附能较大的分子，管壁上的C和Si原子对气体分子的吸附有一定贡献。在图2中，我们展示了N2分子在碳化硅纳米管上的吸附方式。可以看出，N2分子主要吸附在管子的端部，且与管轴成一定夹角。这表明，管壁上的原子和分子之间存在着一定的相互作用。
图2N2分子在碳化硅纳米管上的吸附方式
对于吸附能较小的分子，管轴表面形成的孔洞结构对吸附起到了重要作用。在图3中，我们展示了H2分子在碳化硅纳米管上的吸附方式。可以看出，H2分子吸附在管轴周围，且在吸附过程中形成了一些孔洞。这表明，管轴表面的孔洞结构可以对分子的吸附产生影响。
图3H2分子在碳化硅纳米管上的吸附方式
4.结论
通过第一性原理计算方法，我们研究了碳化硅纳米管的气体吸附特性。通过计算，我们发现N2分子的吸附能最大，且吸附方式为偏向端吸附，与管轴成一定夹角。而H2分子的吸附能最小，吸附方式为吸附于管轴周围。甲烷和乙烷的吸附能均比H2大，但小于N2。此外，对于吸附能较大的分子，管壁上的C和Si原子对气体分子的吸附有一定贡献；对于吸附能较小的分子，管轴表面形成的孔洞结构对吸附起到了重要作用。
参考文献
[1]Ferra