فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحات:100
فهرست مطالب:
فصل اول نانولوله های کربنی
عنوان صفحه
1-1- مقدمه ..........................................................................................................................................................................2
1-2- نانوچیست؟..................................................................................................................................................................2
1-3- تاریخچه فناوری نانو..................................................................................................................................................3
1-4-کربن...............................................................................................................................................................................3
1-5- انواع گونه های کربن..................................................................................................................................................3
1-5-1-گرافیت...............................................................................................................................................................4
1-5-2- الماس...............................................................................................................................................................5
1-5-3-فولرن.................................................................................................................................................................5
1-5-4-گرافن.................................................................................................................................................................6
1-6- ¬نانولوله های کربنی....................................................................................................................................................7
1-7- تاریخچه نانولوله ها....................................................................................................................................................7
۱-8- انواع نانولوله های کربنی...........................................................................................................................................7
1-8-1- نانولوله تک جداره........................................................................................................................................8
2-8-2- نانو لوله چند جداره ....................................................................................................................................8
1-8-3-فولرایت.............................................................................................................................................................8
1-8-4- تروس یا حلقه ای.........................................................................................................................................8
1-8-5- ساختارهای غیر ایده آل..............................................................................................................................8
1-9- ساختارنانولوله ها.........................................................................................................................................................9
1-9-۱- ساختار هندسی.............................................................................................................................................9
1-9-2 - ساختارالکترونی...........................................................................................................................................10
1-10- فیزیکی و شیمیایی نانو لوله¬ها ..........................................................................................................................11
1-11- واکنش‌پذیری شیمیایی نانولوله¬های کربنی.....................................................................................................11
1-12- نانو لوله کربنی- روشهای¬تولید...........................................................................................................................12
1-12-1- روش تخلیه قوس الکتریکی...................................................................................................................12
1-12-2- روش فرسایش لیزر..................................................................................................................................13
1-12-3- رسوب بخار شیمیایی...............................................................................................................................13
1-13- ویژگی های نانو لوله های کربنی.......................................................................................................................14
1-14- کاربردهای نانولوله‌های کربنی............................................................................................................................16
1-14-1-کابل های برق.............................................................................................................................................16
1-14-2- حسگرها......................................................................................................................................................16
1-14-3-پزشکی.........................................................................................................................................................17
1-14-4-حافظه¬های ¬نانولوله¬ای................................................................................................................................17
1-14-5- دیگر کاربردها............................................................................................................................................17
فصل دوم مقدمه ای بر شیمی محاسبات
2-1- شیمی محاسباتی.....................................................................................................................................................19
2-2- شیمی محاسباتی شامل روشهای مختلف ریاضی در دو مدل تقسیم بندی می شود...............................19
2-2-1- مدل مکانیک مولکولی.................................................................................................................................19
2-2-2- مدل مکانیک کوانتومی...............................................................................................................................20
2-3- تئوری ساختار الکترونی.........................................................................................................................................21
2-3-1- روشهای نیمه تجربی...............................................................................................................................21
2-3-2- روشهای آغازین (Ab initio).................................................................................................................21
2-3-3- روشهایی بر پایه نظریه تابعیت چگالی(DFT)......................................................................................21
2-4- مجموعه پایه.............................................................................................................................................................21
2-5- تئوری تابعیت چگالی(DFT)................................................................................................................................22
2-5-1- قضیه هوهنبرگ – کوهن..........................................................................................................................23
2-5-2- نظریه کوهن – شم.....................................................................................................................................25
2-5-2- تابعیت¬های تبادل - همبستگی................................................................................................................26
2-6- تقریب های مورد استفاده در محاسباتDFT....................................................................................................27
2-6-1- تقریب دانسیته محلی(LDA)...................................................................................................................27
2-6-2- تقریب شیب تعمیم یافته (GGA)..........................................................................................................29
2-6-3- روش پیوستگی آدیاباتیک (ACM)........................................................................................................30
2-7- پتانسیل مؤثر هسته (ECP)..................................................................................................................................32
فصل سوم اشکال و جداول
3-1- اهمیت نانو لوله های کربنی (CNT)...................................................................................................................35
3-2- برنامه های محاسباتی مورد استفاده....................................................................................................................35
3-3- جزئیات محاسباتی...................................................................................................................................................36
3-4- شکل ساختارهای بهینه شده کمپلکس ها.........................................................................................................36
3-5- جداول........................................................................................................................................................................45
فصل چهارم نتایج و بحث
4-1- بررسی نتایج بدست آمده برای کمپلکس [CNT-Ln(H2O)n].....................................................................60
4-1-1- بررسی طول پیوندی و انرژی برهمکنش کمپلکس[CNT-Ln(H2O)n] .........................................60
4-1-2- بررسی هدایت الکتریکی کمپلکس [CNT-Ln(H2O)n]......................................................................62
4-1-3- بررسی نتایج بدست آمده از آنالیز QTAIM در کمپلکس [CNT-Ln(H2O)n].............................66
4-1-4- بررسی نتایج بدست آمده از آنالیز NBO در کمپلکس [CNT-Ln(H2O)n]...................................68
4-2- بررسی نتایج کمپلکس [CNT-Ln(H2)n]......................................... ..............................................................70
4-2-1- بررسی طول پیوندی و انرژی برهمکنش برای کمپلکس [CNT-Ln(H2)n]..................................70
4-2-2- بررسی هدایت الکتریکی کمپلکس [ CNT-Ln(H2)n].......................................................................72
4-2-3- نتایج بدست آمده از آنالیز QTAIM در کمپلکس [CNT-Ln(H2)n].............................................75
4-2-4- نتایج آنالیز NBO در کمپلکس [CNT-Ln(H2)n]................................................................................76
4-3- بررسی ناخالصی اتم لانتانیدی در نانولوله های BC3, BC2N....................................................................77
4-3-1- بررسی ناخالصی اتم لانتانیدی در هدایت الکتریکی نانولوله BC3......................................................77
4-3-2- بررسی ناخالصی اتم لانتانیدی در هدایت الکتریکی نانولوله BC2N..................................................80
4-4- نتیجه گیری.............................................................................................................................................................84
4-5- پیشنهادات...............................................................................................................................................................84
منابع......................................................................................................................................................................................85
فهرست شکل ها
شکل 1-1. انواع فرم های کربنی......................................................................................................................................4
شکل1-2. صفحات گرافیت................................................................................................................................................4
شکل1-3. ساختار بلوری الماس.......................................................................................................................................5
شکل1-4. مولکول C60 ......................................................................................................................................................6
شکل1-5. ساختار اتمی صفحه گرافن.............................................................................................................................6
شکل1-6. انواع نانولوله¬های تک دیواره، چند دیواره، فولرایت و تروس....................................................................8
شکل 1-7. بردار های هندسی نانولوله............................................................................................................................9
شکل1-8. انواع نانولوله¬های کربنی تک دیواره.............................................................................................................10
شکل 1-9. روال روش قوس الکتریکی...........................................................................................................................12
شکل1-10. روش فرسایش لیزری..................................................................................................................................13
شکل 3-1. ساختارهای بهینه شده کمپلکس n=1,2,3 ,[CNT-La(H2O)n ]....................................................37
شکل 3-2. ساختارهای بهینه شده کمپلکس n=1,2,3 ,[CNT-Eu(H2O)n ]....................................................37
شکل 3-3. ساختارهای بهینه شده کمپلکس n=1,2,3 ,[CNT-Lu(H2O)n].....................................................38
شکل 3-4. ساختارهای بهینه شده کمپلکس n=1,2,3 ,[CNT-La(H2)n].........................................................38
شکل 3-5. ساختارهای بهینه شده کمپلکس n=1,2,3 ,CNT-Eu(H2)n]...........................................................39
شکل3-6. ساختارهای بهینه شده کمپلکس n=1,2,3 ,[CNT-Lu(H2)n]...........................................................39
شکل 3-7. ساختار بهینه شده نانولوله اولیه (6,0)BC3...........................................................................................40
شکل3-8. ساختار بهینه شده کمپلکس La(6,0)BC3. در این ساختار کاتیون La جایگزین اتم B6
شده است.............................................................................................................................................................................40
شکل 3-9. ساختار بهینه شده کمپلکسLa (6,0)BC3. در این ساختار کاتیون La جایگزین اتمC7
شده است.............................................................................................................................................................................41
شکل 3-10. ساختار بهینه شده کمپلکس La(6,0)BC3. در این ساختارکاتیون La جایگزین اتم C8
شده است.............................................................................................................................................................................41
شکل 3-11. ساختار بهینه شده نانولوله اولیه BC2N..............................................................................................42
شکل 3-12. ساختار بهینه شده نانولولهBC2N(6,0)La در این ساختار اتم La جایگزین اتم N5
شده است.............................................................................................................................................................................42
شکل 3-13. ساختار بهینه شده نانولوله BC2N(6,0)La در این ساختار اتم La جایگزین اتم C6
شده است.............................................................................................................................................................................43
شکل 3-14. ساختار بهینه شده نانولوله BC2N(6,0)La. در این ساختار اتم La جایگزین اتم C7
شده است.............................................................................................................................................................................43
شکل 3-15. ساختار بهینه شده نانولوله BC2N(6,0)La در این ساختار اتم La جایگزین اتم B8
شده است..............................................................................................................................................................................44
شکل4-1. انرژی برهمکنش در کمپلکس [CNT-Ln(H2O)n] برحسب فاصلهLn…O ...................................62
شکل4-2. اوربیتال های HOMO و LUMO در کمپلکس [CNT-La(H2O)n]................................................64
شکل 4-3. نمایش چگالی حالت در کمپلکس¬های، CNT، [CNT-La] و [CNT-La(H2O)]........................65
شکل 4-4. گراف مولکولی کمپلکس [CNT-La(H2O)2] ......................................................................................67
شکل4-5. انرژی برهمکنش در کمپلکس [ CNT-Ln(H2)n]بر حسب فاصله پیوندی Ln…H2...................72
شکل 4-6. اوربیتال های HOMO و LUMO در کمپلکس [CNT-La(H2)n]...................................................73
شکل 4-7. نمایش چگالی حالت در،CNT ، [CNT-La] و [CNT-La(H2)]......................................................74
شکل 4-8. گراف مولکولی در کمپلکس [CNT-La(H2)2]......................................................................................76
شکل4-9. ساختار بهینه شده BC3(6,0)....................................................................................................................78
شکل 4-10. اوربیتال های HOMO و LUMO در کمپلکس [BC3-La] ..........................................................79
شکل 4-11. نمایش چگالی حالت در کمپلکس¬های،BC3 و [BC3-La]............................................................80
شکل4-12. ساختار بهینه شده نانولوله (6,0)BC2N................................................................................................81
شکل 4-13. اوربیتال¬های HOMO و LUMOدر کمپلکس [BC2N-La].........................................................82
شکل 4-14. نمایش چگالی حالت در کمپلکس¬های،BC2N و [BC2N-La]....................................................83
فهرست جدول ها
جدول 3-1. فاصله و میانگین فاصله Ln-O برای کمپلکس [CNT-La(H2O)n]. فاصله ها بر حسب Å
می‌باشند...............................................................................................................................................................................45
جدول 3-2. فاصله و میانگین فاصله Ln-O برای کمپلکس [CNT-Eu(H2O)n]. فاصله ها بر حسب Å
می‌باشند...............................................................................................................................................................................45
جدول 3-3. فاصله و میانگین فاصله Ln-O برای کمپلکس [CNT-Lu(H2O)n]. فاصله ها بر حسب Å
می¬باشند....................................................................................................................................... .......................................45
جدول 3-4. انرژی کل مولکولی (هارتری)، انرژی برهمکنش و میانگین انرژی برهمکنش (کیلوکالری بر مول) در کمپلکس¬های [CNT-Ln(H2O)n]............................................................................................................................46
جدول 3-5. انرژی HOMO (Highest occupied molecular orbital)و انرژی
LUMO (Lowest unoccupied molecular orbital) و ΔE شکاف انرژی درکمپلکس
[CNT-Ln(H2O)n] ........................................................................................................................................................46
جدول 3-6. ساختار الکترونی طبیعی و بار اتم برای کاتیون های لانتانیدی در کمپلکس
[CNT-Ln(H2O)n] بوسیله آنالیز NBO......................................................................................................................47
جدول 3-7. نشان دهنده مرتبه پیوندی Ln…O برای کمپلکس [CNT-Ln(H2O)n] براساس تعداد
مولکول های آب کئوردینه شده .....................................................................................................................................48
جدول 3-8. میزان انرژی پایداری حاصل از فرایند انتقال بار در کمپلکس [CNT-Ln(H2O)n]......................49
جدول 3-9. نتایج حاصل از آنالیز QTAIM برای کمپلکس [CNT-Ln(H2O)n]...............................................50
جدول 3-10. فاصله و میانگین فاصله La…H2 برای کمپلکس[CNT-La(H2)n]. فاصله ها بر حسب Å است........................................................................................................................................................................................51
جدول 3-11. فاصله و میانگین Eu…H2 فاصله برای کمپلکس [CNT-Eu(H2)n]. فاصله ها برحسب Å
است........................................................................................................................................................................................51
جدول 3-12. فاصله و میانگین فاصله Lu…H2برای کمپلکس [CNT-Lu(H2)n]. فاصله ها بر حسب Å است........................................................................................................................................................................................51
جدول 3-13. انرژی کل مولکولی (هارتری)، انرژی برهمکنش و میانگین انرژی برهمکنش (کیلوکالری بر مول) در کمپلکس های[CNT-Ln(H2)n].....................................................................................................................52
جدول 3-14. انرژی HOMO (Highest occupied molecular orbital) و انرژیLUMO
(Lowest unoccupied molecular orbital) و ΔE شکاف انرژی در برای کمپلکس [CNT-Ln(H2)n].......52
جدول 3-15. نتایج حاصل از آنالیز QTAIM برای کمپلکس [CNT-Ln (H2)n]...............................................53
جدول 3-16. ساختار الکترونی طبیعی و بار اتم برای کاتیون های لانتانیدی در کمپلکس
[CNT-Ln(H2)n] بوسیله آنالیز NBO.........................................................................................................................54
جدول 3-17. نشان دهنده مرتبه پیوندی Ln…H2 برای کمپلکس [CNT-Ln(H2)n] براساس تعداد مولکول های هیدروژن کئوردینه شده ..........................................................................................................................................56
جدول 3-18. میزان پایداری حاصل از فرایند انتقال بار درکمپلکس [CNT-Ln(H2)n]....................................57
جدول 3-19. انرژی HOMO (Highest occupied molecular orbital) و انرژی LUMO
(Lowest unoccupied molecular orbital) و ΔE شکاف انرژی در کمپلکس [BC2N-La].........................57
جدول 3-20. انرژی HOMO (Highest occupied molecular orbital) و انرژی LUMO
(Lowest unoccupied molecular orbital) و ΔE شکاف انرژی در کمپلکس [BC3-La]............................58
چکیده: در این پایان نامه، به بررسی نظری اثر حضور ناخالصیهای لانتانیدی بر روی ساختار الکترونی نانولوله¬های کربنی(CNT) و نانولوله¬های BC3،BC2N پرداخته شده است. همچنین اثر کاتیونهای لانتانیدی (La3+,Eu3+,Lu3+) دکره شده در فرآیند جذب H2O و H2در کمپلکس¬های [CNT-Ln(H2O)n] و
[CNT-Ln(H2)n] بررسی گردیده است. محاسبات شیمی کوانتومی در سطح نظریه تابعیت چگالی، برای این کمپلکس¬ها با استفاده از روش محاسباتی B3LYP و از مجموعه پایه ECP/7s 6p 5d برای اتمهای لانتانیدی و هم چنین از مجموعه پایه 6-31G* برای سایر اتم¬ها انجام شده است. انرژی برهمکنش، آنالیز اتم¬ها در مولکولها(AIM) و آنالیز اوربیتال¬های طبیعی پیوندی (NBO) در کمپلکس¬های [CNT-Ln(H2O)n] و [CNT-Ln(H2)n] مطالعه شده¬اند. با جایگزین کردن کاتیون لانتانیوم در کمپلکسهای [BC3-La] و
[BC2N-La] نتایج محاسبات نشان داد که شکاف انرژی نسبت به نانولوله اولیه تغییر یافته و به ترتیب باعث کاهش و افزایش رسانایی در این کمپلکس¬ها شده است.
کلمات کلیدی: نانولوله، ذخیره سازی هیدروژن، ساختارالکترونی، نانولوله BC3