《sp2-sp3雜化碳納米網路結構儲氫特性的理論研究》是依託華中科技大學，由文艷偉擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：sp2-sp3雜化碳納米網路結構儲氫特性的理論研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：文艷偉
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
尋找安全高效的儲氫材料是氫能源利用的一個關鍵性問題。經過近十年的大量研究，碳納米管、富勒烯和石墨烯等低維碳材料以其輕質高表面積等優點受到廣泛關注，然而它們與氫的結合能太低難以實現室溫儲氫，雖然通過金屬修飾可以增強氫的結合能，但是金屬團聚現象和易被氧化等問題，嚴重影響了其儲氫容量。我們設計了一類三維具有sp2-sp3混合雜化的多孔碳納米網路結構（HCN），表現出排列規整、尺寸均一的納米孔隙，可抑制氧的吸附兼具有可控的孔隙結構以阻止金屬團聚，因而具有巨大的儲氫潛力。本項目將運用第一性原理計算結合蒙特卡羅等方法研究HCN結構的合理性並提出實驗合成的可能途徑，對其儲氫優勢和機理進行深入探討，獲取氫吸附性能與多孔碳結構參數之間的關係，為設計和最佳化新型碳基儲氫材料提供理論指導。
結題摘要
本項目基於第一性原理計算方法以碳納米結構與金屬相互作用、以及二者相互作用對氫分子吸附能的影響為基礎，設計多孔碳納米網路結構並選取合適的輕金屬修飾，實現溫和條件下的高容量儲氫。單純的碳納米結構與氫分子之間只存在弱的物理吸附作用，研究發現輕金屬修飾能夠通過誘導極化有效增強氫分子與碳納米結構之間的相互作用，增強的吸附能與輕金屬的電荷轉移密切相關。在碳納米結構中引入曲率、缺陷、雜質等，一方面可以錨定輕金屬原子從而克服金屬的團聚問題，另一方面可以改變金屬原子的電荷轉移量，實現氫分子吸附能的有效調控。基於此，我們設計了多孔雜化碳納米結構，在特性曲率處中引入鋰摻雜，在孔隙內部形成極強電場，使得氫分子有效極化並被吸附；同時極化作用引起氫分子有序排列，實現了單個金屬中心多氫分子的有效存儲，儲氫質量比達到6.4wt%，體積容量達到102g/L，體積密度已超美國能源部儲氫的最終目標。
