《低溫下多孔儲氫材料表面吸附特性動力學的理論研究》是依託四川大學，由張紅擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：低溫下多孔儲氫材料表面吸附特性動力學的理論研究
- 項目類別：聯合基金項目
- 項目負責人：張紅
- 依託單位：四川大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
多孔儲氫材料對解決規模儲氫問題發展氫能源有重要意義，目前已合成出許多具有儲氫潛力的新型多孔碳材料,但對吸放氫機理缺乏系統化的研究。慣性約束聚變ICF和強場物理實驗需要較高儲氫密度材料，多孔吸附材料因容易先製備成所需靶型，再吸附DT燃料，釋氫動力學性能優越而有可能取代金屬氫化物，在ICF和強場實驗中有獨特的套用前景。多孔吸附材料的儲氫與結構的理論研究是認識儲氫機理和進一步優選儲氫結構的重要途徑。本課題針對氫在可調納米孔隙多孔儲氫材料（可調孔隙碳結構、金屬和共價有機框架結構材料）的表面吸附特性、可逆儲氫的動力學過程進行理論研究，在提高計算精度、考慮量子力學效應的基礎上研究氫的吸附機制，採用含時密度泛函理論結合多尺度分子動力學方法研究室溫至液氦溫區內氫吸附動力學，進而研究儲氫效率和持久性；確定最佳儲氫孔徑尺寸, 提供金屬有機框架結構最佳儲氫配比和結構，並給出利用氫溢流機制進一步提高儲氫量的方法。
結題摘要
主要有以下研究內容： （一）研究了挖孔C60富勒烯在室溫和低溫條件下的儲氫性能，通過與未挖孔C60對比發現，這一方法可以在理論上提高C60的儲氫量；同時孔洞的大小對儲氫量有較大影響，同樣條件下具有較大孔洞的C60具有較高的儲氫量。（二）設計了基於六面體結構的倍半矽氧烷的多孔材料，主要考慮到倍半矽氧烷自身的熱力學穩定性好等特點而選擇其作為構架單元，並且選擇苯環作為有機連線體，同時選擇了兩種空間拓撲結構LTA和ACO進行設計。通過材料對CH4和H2的吸附分離性能研究發現，所設計材料既具有很好的吸附性能又有很好的分離性能，從而達到氫氣儲存和淨化的作用.（三）設計基於金剛烷和苯基連線體的具有類金剛石結構的多孔儲氫材料。金剛烷具有高度穩定的四面體結構，同時結合金剛石結構的高度穩定性，通過改變有機連線體的長度，設計出具有不同尺度孔洞的材料。這是一類只有碳、氫元素的多孔材料，具有很小的密度，同時具有較高的孔隙率和比表面積在當前的儲氫材料中名列前茅的。（四）研究了氫氣在金屬摻雜簡稱COFs中儲存性能。由於COFs的構建單元與氣體分子之間的力主要是范德瓦爾斯力，氣體分子吸附在COFs表面的鍵能非常低，不適合在常溫下儲存氣體。我們通過金屬原子的摻雜，在COFs 的表面引入強的吸附位，增大氫氣分子在COFs 中的鍵能。選擇了兩種三維的COFs，分別研究了鹼土金屬離子Ca2+ 和Mg2+在COFs中的摻雜。Ca2+ 和Mg2+ 在COFs的表面不會發生團簇，能夠穩定的連線在COFs 的表面。（五）研究了氫溢流機制，並提供足夠的氫原子供COF材料化學吸附。使用密度泛函理論（DFT）方法研究了氫原子在COF表面的化學吸附、氫原子從金屬團簇（Pt4）向COF 表面遷移、以及氫原子在COF 表面解吸附的特性。 取得的研究成果： 發表SCI論文40餘篇;其中影響因子大於3的論文18篇，包括在Physical Review Letters 發表3篇 （分別為第一作者,通訊作者和第二作者）；在PNAS（美國科學院院刊）1篇(第二作者)；APL（2篇）(第一作者1篇,通訊作者1篇)；PRB（2篇）(均為第一作者)；在JPCC；PCCP；JCP；JPCA等發表10餘篇（均為第一或通訊作者）。研究成果得到國際同行的高度認同,以第一作者在APL的論文被Asian Materials評為Highlight論文
