基於富勒烯的新型納米材料儲氫性能研究

《基於富勒烯的新型納米材料儲氫性能研究》是依託河海大學，由唐春梅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於富勒烯的新型納米材料儲氫性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：唐春梅
• 依託單位：河海大學

項目摘要

儲氫材料是當今世界新能源研究中的一個非常活躍的方向，也是當前我國實施低碳經濟戰略過程中所關注的熱點課題。基於富勒烯的新型納米材料成為較有希望的儲氫材料，是儲氫研究的一個前沿領域。然而，關於新型富勒烯儲氫材料中各種不同的吸附機制的研究以及對儲氫性能影響規律性的認識，儲氫過程中的結構穩定性，以及富勒烯材料中氫存儲和氫釋放的動力學過程等許多問題還有待人們迫切去解決。本項目擬採用第一性原理計算和巨正則蒙特卡羅分子動力學方法對新型富勒烯納米材料儲氫性質進行系統深入的研究，探索富勒烯儲氫材料中各種氫吸附機制，分別研究氫儲存和氫釋放隨溫度、壓力等動力學過程的變化規律，分析儲氫過程中的結構穩定性，為設計出更好的新型富勒烯儲氫材料提供科學依據、理論指導和研究思路。可以說，本項目是一項既具有科學研究價值，又有技術套用前景的基礎性前沿課題。

結題摘要

本項目主要採用密度泛函理論方法和基於第一性原理的分子動力學方法系統研究基於富勒烯和團簇的新型納米材料的儲氫性能和儲氫機制。首次得到儲氫性能最佳的衍生物Fe12C48B12-60H2，Co12C48B12-48H2，和Ni12C48B12-48H2，儲氫質量高達8.7wt%，6.8wt%，和6.8wt%，超過美國能源部制定的在2017年達到5.5 wt%的要求；首次研究發現多孔富勒烯C24B24包含的6個B4空穴可以很強的結合Ti原子, 該體系對氫分子的吸附能在0.22~0.55 eV之間，最大的儲氫質量密度為9.1 wt%，超過美國能源部制定的在2017年達到5.5 wt%的要求。使用密度泛函理論首次計算發現，Ti原子修飾的Si@Al12通過Dewar-Kubas作用對H2有較強的吸附，Ti20-Si@Al12-nH2在室溫條件下的儲氫量可以理論高達15.5 wt%，刷新了同等條件下儲氫的紀錄，遠遠高於碳納米材料(3.0 wt%)和金屬有機骨架材料(2.5 wt%)，此外，該體系室溫下可以釋放一定數量的H2分子，因此Ti原子覆蓋的Si@Al12具有良好的可逆儲氫性能。使用密度泛函理論首次發現金屬原子修飾的富勒烯C20M(M=Li, Ti, Fe)和C18B2M(M=Li, Ti, Fe)的儲氫數目與18電子規則相吻合,體系對H2的平均吸附能在0.25~0.80eV範圍之內，因此可以實現常溫下對氫的可逆吸附。採用密度泛函理論研究首次分析可知C6Li主要通過Li原子與H2O之間形成的偶極矩作用來吸附H2O分子，與C60Li12的儲氫機制類似，C6Li可以催化H2O分子得到H2，為儲氫材料的製備提供一個新的思路。本項目的創新價值在於理論預言幾個對氫氣具有良好吸附和存儲性能的富勒烯-團簇組裝新型納米材料，如 C48B12，Tin-Si@Al12，C24B24，C18B2等，可以為設計更好的儲氫納米材料提供科學依據和理論指導。