幾類多孔材料儲氫性能的改性研究.pdf

1、氫能是一種理想的清潔能源，尋找合適的材料來存儲足夠的氫氣滿足實際需要是目前氫能利用的關(guān)鍵問題。本論文首先介紹了目前世界能源現(xiàn)狀、氫能的優(yōu)點及存儲方法，回顧了多孔納米材料的儲氫研究進展，并總結(jié)了影響多孔材料氫氣存儲的因素。關(guān)于預測和模擬的理論基礎，包括量子計算化學的發(fā)展歷史、密度泛函理論和巨正則蒙特卡洛方法等，以及計算中用到的量子化學計算軟件包，在論文中予以詳細介紹。
　　 我們通過富勒烯嵌入和鋰摻雜的組合方法改性IRMOF-10

2、、-12和-14三種大孔徑的金屬有機骨架材料(MOF)。巨正則蒙特卡洛模擬預測了它們在近環(huán)境條件下，組合修飾的MOF結(jié)構(gòu)可以獲得良好的儲氫質(zhì)量密度和體積密度，從理論上實現(xiàn)了美國能源部制定的雙重目標。第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，鋰原子在材料上失去部分電荷而引起的靜電場對其周圍的吸附的氫氣具有極化效應，這將增強了氫氣在材料中的結(jié)合能，最終引起氫氣存儲性能的提升。富勒烯摻雜的主要影響集中在兩個方面——增加氫氣體積存儲量和提供鋰原子摻雜的位置。材料的物

3、理性質(zhì)對氫氣存儲性能也有一定的影響，包括吸附焓、晶體密度、表面積、孔隙體積等。
　　 通過碳納米管嵌入和鋰摻雜相結(jié)合的組合方法，改性大孔徑共價有機骨架材料COF-108，其氫氣存儲性能可以達到5.83 wt％和32.4 g/L，是一種非常良好的氫氣存儲材料。組合改性方法中，碳納米管的主要作用是提供更多的鋰摻雜位置，鋰的主要作用是提高材料的氫氣存儲性能。我們嵌入不同直徑的納米管來探究氫氣存儲的最佳孔隙直徑，分析孔隙與存儲量的關(guān)系發(fā)

4、現(xiàn)，最適合氫氣存儲的孔隙直徑在4～5(A)之間，大約為氫氣動力學直徑的1.5倍。
　　 此外，我們還研究了二維多孔碳材料的改性及其儲氫能力。密度泛函計算優(yōu)化了氫氣吸附在氮替代摻雜的多孔石墨烯(1 Li-nN-PG)材料上的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)單個鋰原子周圍能夠穩(wěn)定吸附至少3個氫氣分子。差分電荷密度以及結(jié)合能確定了氫氣的存儲受到了鋰原子和氮原子的雙重影響;在硼摻雜的多孔石墨烯中，通過比較氫氣吸附的幾何結(jié)構(gòu)、吸附能發(fā)現(xiàn)金屬鈣原子摻雜比鋰摻雜對

5、氫氣儲存更加有利，而GCMC模擬結(jié)果證實了這一點，4Li-2B-PG-H和4Ca-2B-PG-H中氫氣的室溫存儲性能分別達到了6.4 wt％和6.8 wt％，它們均超過了U.S.DOE的目標;研究硼摻雜的石墨一炔發(fā)現(xiàn)，除了摻雜的硼、鋰原子外，主體材料本身的基團——炔基對氫氣的存儲性能也有影響，而第一性原理計算、基于從頭算的分子動力學模擬以及GCMC模擬均顯示，鋰修飾的BG是一種在室溫下具有較高氫氣存儲性能的材料，在100bar下可高達7