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g-C3N4对N2, CO, CO2, Ar的筛选功能毕业论文

 2022-06-28 10:06  

论文总字数:17598字

摘 要

本文采用第一性原理软件Dmol3,我们系统分析了g-C3N4对小分子N2、CO、CO2、Ar的筛选性能。通过计算,我们得到了N2、CO、CO2、Ar小分子穿过g-C3N4的势垒分别为2.49eV、2.20eV、1.79eV、3.37eV。为判别g-C3N4对这些小分子混合气体的筛选性,我们根据阿伦尼乌斯方程探讨了g-C3N4对这些小分子的相对渗透率。结果表明,由于势垒较大,g-C3N4对小分子N2、CO、CO2、Ar的筛选性能较差,不适合分离这些混合气体。

关键词:类石墨氮化碳 势垒 扩散率 选择度 第一性原理

Selective separation of N2, CO, CO2, Ar through g-C3N4

ABSTRACT

The selective separation of N2, CO, CO2, Ar through g-C3N4 was investigated using first principles calculation package Dmol3. The diffusion barriers for N2, CO, CO2 and Ar molecules passing through g-C3N4 were calculated to be 2.49 eV, 2.20eV, 1.79eV and 3.37eV respectively. The diffusion rates of the considered gases through g-C3N4 were calculated using the Arrenius equation. The results showed that the selective separation ability of g-C3N4 for N2, CO, CO2, Ar is relatively low due to the high diffusion barriers, and g-C3N4 is unsuitable for the separation of the considered gases.

Key Words: g-C3N4; barrier; diffusion rate; selectivity; first-principles calculations

目 录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 C3N4的研究简介 1

1.3类石墨氮化碳 3

1.3.1 g-C3N4的结构与性质 4

1.3.2 g-C3N4的研究进展 5

1.4 g-C3N4的应用 6

1.5分子筛选的理论研究 7

1.6研究的目的与内容 8

第二章 理论计算方法 8

2.1密度泛函理论 8

2.1.1 Hohenberg-Kohn定理:多体理论 8

2.1.2 Kohn-Sham方程:有效单体理论 9

2.1.3交换关联泛函的形式 10

2.2平面波赝势方法 11

2.3第一性原理软件包简介 12

2.3.1 Materials Visualizer模块简介 12

2.3.2 Dmol3模块简介 13

第三章 计算方法、模型与结果 13

3.1计算方法与模型 13

3.2计算结果 15

3.2.1晶格常数优化 15

3.2.2小分子穿过g-C3N4扩散势垒 16

3.2.3小分子穿过g-C3N4的扩散速率与选择度 18

第四章 结论 19

参考文献 20

致谢 22

第一章 绪论

1.1 引言

C3N4的研究始于上个世纪20年代,在1992年化学家们认为C3N4具有石墨结构,到了80年代,C3N4的研究才开始进入到一个相当活跃的阶段。研究结果表明,这种材料除了具有高的硬度、低摩擦系数和耐磨特性外,还具有较大的禁带宽度,可能是一种理想的发蓝光材料或高温半导体材料。1996年Teter和Hemley[1]重新进行了计算认为C3N4可能具有5种结构,即α相、β相、立方相、类立方相、类石墨相。而在对氮化碳的众多物相研究中,无论是理论方面还是实验方面,类石墨型氮化碳越来越受到人们的重视,尤其近十多年来,每年都有数百篇相关文献的报道,改物相可以用作有机半导体,或超硬相的前驱物。

1.2 C3N4的研究简介

1996年,Teter和Hemley通过计算认为C3N4可能具有5种结构,即:α相α-C3N4,β相β-C3N4,立方相c-C3N4,准立方相p-C3N4以及类石墨相g-C3N4。除了类石墨相外,其他4种结构物质的硬度都可以与金刚石相比拟。作为理论预测的新材料,C3N4具有良好的物理、化学性质及广泛的应用前景[2,3]。理论上, C3N4结构具有多种优异的性质: (1) c-C3N4的体模量为 496 GPa, 比最硬金刚石材料的体模量 443GPa高; (2) 其声子速度达 104m /s, 具有很高的热导率; ( 3) C3N4材料的带隙均位于 3~ 4 eV; (4) 低机械摩擦系数 (0.3); (5) 高弹性; (6) 高化学惰性等.经过十多年的努力,在理论计算和实验合成方面都已取得了一定的进展[4,5]

图1为C3N4的晶体结构图,由图可知,α相、β相、立方相、准立方相C3N4结构为三维空间网状结构,类石墨相C3N4为二维层状结构。在类石墨相C3N4片层内每4个N原子中有1个SP3杂化的N原子与相邻的3个C原子形成共价键,剩余的3个SP2杂化的N原子分别与2个C原子和一个空位相邻。α相、β相、立方相、准立方相的C原子和N原子均为SP3杂化,每个C原子与3个N原子相连。其中α- C3N4、β- C3N4、Graphitic- C3N4为六方晶系,Cubic-C3N4为三方晶系,Pseudocubic- C3N4为立方晶系。由表一可知,Graphitic- C3N4密度最低,这可能与其特殊的层状结构有关,Cubic- C3N4的密度最大,体积最小。g- C3N4能量最低,最稳定。相反Pseudocubic- C3N4能量最大,最不稳定[6]

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