低维碳纳米材料结构性能及应用
云南大学2007级物理系 物理学专业 刘岩 学号20071050175
石墨烯是一种由碳原子组成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚,具有比较大的比表面积，有做储氢材料的潜质。本文主要利用Material-studio软件对石墨烯结构和储氢性能进行了一些研究。
Material-studio里有两种构建石墨烯的方法，但是这两种方法构建的原始晶胞却是不同的，而且，相同体积下，结点个数不同，而且直观的看，二者键型有区别。为了进行对比，本文将两种模型结构和储氢性能分别在相同条件下进行计算和比较。
两种模型的建立方法：第一种，导入软件内置模型执行file – import –structure –ceramics – graphite.msi，获得双层石墨烯，层间距为0.34nm，将其扩充为6层，选定一层，将其移动到模型正中央，模型厚度为0.68*3nm；第二种方法，建立晶胞，选择模型为第183型，设置参数为2.46、2.46和3.4，然后将碳原子添加进去，设置坐标为0.333、0.667和0.500，获得厚度为0.34nm的晶胞，将其扩充为6层，因此它的厚度与第一种一样。
现在要确定两种模型的结点个数，为使体积接近，分别将其扩充为145和128个结点。
如图，显而易见，第一种模型边沿布满结点，而第二种模型边沿没有结点。
为使模型稳定，对它们初步先进行几何结构优化。优化以前，键角都是120°键长均为0.142nm。
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几何结构优化后，键长和键角均发生了一些轻微变化。
(模型一)
(模型二)
随后，我们对这两种模型设定在77K、10KPa~100MPa进行储氢性能的模拟计算。
这两幅图为石墨烯吸附了氢以后的剖面图，红色点阵为氢可能分布的位置，通过这两幅图，我们可以看到，氢附着于石墨烯时，其分布呈层状，平行于石墨烯，并与之有一定距离。
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下图为77K温度下，石墨烯的两种模型对氢吸附能力随压强（10KPa~10MPa）变化的曲线。
压强（KPa） 10090 20080 30070 40060 50050 60040 70030 80020 90010 100000 237.49162 231.56371 196.91分子个数） 25 模型一（氢214.2857 212.59745 219.40187 216.51609 222.03688 219.89442 226.14877 220.3135 3
229.53895 224.17579 232.64643 228.3933 235.71746 231.83274 235.0597 233.00157 196.77分子个数） 643 模型二（氢
在大约10MPa~20MPa内，石墨烯的储氢性能增长速度大大减慢;而第二种模型在90MPa~100MPa内反常的出现了少许下降，这种现象可能是偶然的，有待于进一步实验。
下面选取100MPa和10MPa的条件下对它们的质量储氢密度和体积储氢密度进行计算和比较：
模型一（77K，100MPa）
结点数:178+9=136+9=145 总相对质量为：14512=1740 储氢平均最大个数; 237.492
氢分子总相对质量为：237.4922=474.984 =6.022
储氢质量分数为：474.984/（1740+474.984）=474.984/2214.984=0.2144413=21.44% 模型体积：6.8319.68017.043=6842.287296储氢质量体积分数为：788.75/6.84296=115.264kg/
(77K,10090KPa)
储氢平均个数：196.9125 氢分子总相对质量为：196.9125
393.825
=6.84296
氢分子质量:474.984/6.022
=78.875
kg
储氢质量分数为：393.825/(1740+393.825)= 0.184562=18.46% 氢分子质量: 393.825/6.022
=65.40
kg
储氢质量体积分数为：654.06.843=95.57 kg/
模型二（77K，90010KPa）
结点个数:168=128 总相对质量：12812=1536 储氢平均最大个数为：233.002 氢分子总相对质量：2233.002=466.004 氢分子质量:466.004/6.022
4
g=77.384kg
