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B(N)掺杂对单壁碳纳米管吸附性能影响的第一性原理探究

一、引言

1.1研究背景与意义

碳纳米管（CarbonNanotubes，CNTs）自1991年被饭岛澄男发现以来，凭借其独特的结构和优异的性能，在材料领域掀起了研究热潮。碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，可分为单壁碳纳米管（Single-WalledCarbonNanotubes，SWCNTs）和多壁碳纳米管（Multi-WalledCarbonNanotubes，MWCNTs）。其中，单壁碳纳米管由于结构简单、均匀一致性好、缺陷少且性质稳定，在众多领域展现出巨大的应用潜力。

在力学性能方面，单壁碳纳米管具有极高的强度和韧性，理论计算其强度可达钢的100倍，密度却仅为钢的1/6，杨氏模量是钢的近6倍，被认为是未来的超级纤维，在航空航天、高端装备制造等领域有望用于制造轻质高强的结构部件。在电学性能上，其碳原子以正六边形微观形式组成基础单元结构，共轭效应显著，电子可在较大范围内自由运动，导电性良好，根据手征性不同可表现出金属或半导体性能，在电子器件、集成电路等领域有着重要的应用前景，如用于制造高性能的晶体管、导线等。在热学性能上，单壁碳纳米管具备优异的导热性能，沿管长方向传导热量迅速，理论导热效率约为自然界最好导热材料金刚石的3-6倍，可应用于电子设备的散热领域以及热管理材料中。此外，它还具有良好的化学稳定性，在高分子复合材料中添加碳纳米管，能够提高材料的阻酸抗氧化性能，拓展了其在恶劣环境下的应用范围。

然而，纯单壁碳纳米管在某些应用场景中仍存在一定局限性，为进一步拓展其应用，对其进行掺杂改性成为重要研究方向。B（硼）和N（氮）原子由于与碳原子的原子半径、电负性相近等特点，成为常用的掺杂原子。B原子的外层电子数为3，掺杂后会形成电子缺乏区；N原子外层电子数为5，掺杂后会形成电子聚集区。这种电子结构的改变会显著影响单壁碳纳米管的吸附性能，而吸附性能在众多领域中起着关键作用。

在能源存储与转化领域，如在燃料电池中，良好的吸附性能有助于提高催化剂对反应物的吸附和活化能力，从而提升电池的性能和效率；在锂离子电池中，对锂离子的高效吸附和脱附能够影响电池的充放电性能和循环寿命。在环境治理领域，可利用其吸附性能来吸附有害气体（如二氧化硫、氮氧化物等）和重金属离子（如铅离子、汞离子等），实现对污染物质的高效去除，达到净化空气和水体的目的。在传感器领域，对特定气体分子的选择性吸附可以引发电学性能等的变化，从而实现对目标物质的高灵敏度检测，在生物传感器中，对生物分子的特异性吸附可用于生物检测和诊断。

因此，深入研究B（N）掺杂单壁碳纳米管的吸附性能，对于理解其微观作用机制、优化材料性能以及推动其在上述领域的实际应用具有重要的理论意义和现实价值。通过揭示B（N）掺杂如何影响单壁碳纳米管的吸附性能，能够为材料的设计和改性提供理论依据，指导开发出性能更优异的新型材料，以满足不同领域不断增长的需求。

1.2国内外研究现状

国内外众多学者围绕单壁碳纳米管、B（N）掺杂以及吸附性能开展了大量研究工作。

在单壁碳纳米管研究方面，国外学者在其基础理论和应用探索上取得了一系列成果。如饭岛澄男首次发现碳纳米管，为后续研究奠定了基础。之后，国外在单壁碳纳米管的制备技术上不断突破，化学气相沉积（CVD）法、电弧放电法、激光蒸发法等多种制备方法不断发展和完善，实现了对单壁碳纳米管管径、长度和手性等结构参数的一定程度控制。在应用研究上，美国、日本等国家在电子器件领域，将单壁碳纳米管用于制造高性能的场效应晶体管、逻辑电路等，推动了电子器件向小型化、高性能化发展；在航空航天领域，探索利用单壁碳纳米管增强复合材料制造飞行器结构部件，以提高飞行器的性能和可靠性。国内对单壁碳纳米管的研究也十分活跃，清华大学魏飞教授团队在单壁碳纳米管生长与缺陷记忆方面取得进展，揭示了碳纳米管生长过程中的对称性破缺现象及其记忆保留特征，为碳纳米管的可控合成提供了全新视角。国内在单壁碳纳米管的宏量制备技术上不断进步，降低了生产成本，推动了其产业化应用进程；在复合材料领域，通过将单壁碳纳米管与聚合物、金属等复合，制备出具有优异力学、电学性能的复合材料，应用于汽车制造、体育器材等领域。

对于B（N）掺杂单壁碳纳米管的研究，国外学者利用第一性原理计算等方法，研究了B（N）掺杂对单壁碳纳米管电子结构和力学性能的影响，发现B（N）掺杂会改变碳纳米管的电子云分布，进而影响其电学和力学特性。在实验方面，通过化学气相沉积等方法成功制备出B（N）掺杂的单壁碳纳米管，并对其结构和性能进行了表征。国内研究人员在B（N）掺杂单壁碳纳米管的制备工艺优化上做了大量