We investigate the hydrogen chemisorption mechanism on both pristine and Li-doped (5,5) single-wall carbon nanotubes (SWNTs). The chemisorption of $H_2$ molecule is found to be suppressed due to very high energy barriers (~3 eV), while H atoms are readily chemisorbed with no energy barrier on pristine SWNTs. When $H_2$ is applied to the Li-doped SWNT, the hydrogen chemisorption is facilitated by a successive LiH chemisorption and the resulting barrier reduction for the $H_2$ chemisorption. Our calculations show that the hydrogen chemisorption is more probable in Li-doped carbon nanotubes, compared with pristine carbon nanotubes, for a hydrogen storage.
기울기 보정 근사법을 통한 제일원리 쑤도포텐셜 방법을 이용하여 (5,5) 단일벽 탄소 나노튜브 표면에서의 수소의 화학적 흡착에 대해 연구하였다. 원자 상태의 수소는 흡착 에너지 장벽을 느끼지 않는 반면에 분자 상태의 수소는 3 eV 정도의 높은 흡착 에너지 장벽을 느끼게 됨을 확인하였다. 수소의 분자가 (5,5) 단일벽 나노튜브에 흡착될 때 높은 에너지 장벽을 느끼는 이유는 흡착 반응이 분자 궤도의 대칭성 보존에 의해 금지되어 있기 때문이다. 따라서 실험 상황에서 원자 상태의 수소는 나노튜브에 쉽게 흡착되지만 분자 상태의 수소는 자발적 흡착이 어려움을 예상할 수 있다. 탄소 나노튜브에 리튬이 도핑된 경우에는 수소분자가 가해진 상황에서 LiH가 형성되는 것이 실험적으로 관측된다. LiH의 몇 가지 흡착 경로에 대한 계산에 의하여 LiH는 (5,5) 단일벽 나노튜브에 흡착될 때 에너지 장벽을 느끼지 않음을 관찰하였다. 이 때 표면에 흡착된 리튬은 낮은 이동 에너지 장벽 (＜0.5 eV)으로 표면에서 이동하는 것을 발견하였다. 이러한 리튬의 이동성은 리튬의 촉매역할을 예상케 한다. 또한 리튬이 도핑된 나노튜브에서는 리튬이 나노튜브로 전자를 전달하는 효과에 의해 수소 분자의 흡착 에너지 장벽이 낮아질 수 있다. 실제로 6.7 \%로 리튬을 도핑하여 확인한 결과 흡착 에너지 장벽이 0.43 eV 정도 낮아졌다. 비슷한 현상은 음전하를 띤 나노튜브에서도 발견된다. 따라서 리튬이 도핑된 나노튜브의 경우 수소 분자가 가해진 경우라도 LiH의 형성을 통한 자발적 흡착, 리튬의 촉매 역할, 리튬의 전자 전달에 의한 흡착 에너지 장벽 감소에 의해 도핑이 되지 않은 탄소 나노튜브보다 수소의 화학적 흡착이 증진된다.
