基于過渡金屬材料儲氫的機(jī)理研究.pdf

1、氫氣是二十一世紀(jì)最有希望替代化石能源的一種新型清潔能源燃料。目前,在氫能商業(yè)化應(yīng)用的過程中遇到的最大難題之一就是如何安全、有效、經(jīng)濟(jì)的儲氫。傳統(tǒng)儲氫方式中的高壓氣態(tài)儲氫,液態(tài)和固態(tài)儲氫都不是理想的儲氫方式,難以滿足未來氫儲存的要求。過渡金屬元素儲氫在氫吸附強(qiáng)度與儲氫能力上都表現(xiàn)出了室溫儲氫的發(fā)展?jié)摿?因此,近年來人們做了大量利用過渡金屬元素設(shè)計(jì)高密度儲氫材料的研究。本論文基于密度泛函第一性原理的計(jì)算方法詳細(xì)研究了單個3d過渡金屬原子的氫

2、吸附結(jié)構(gòu)、吸附機(jī)制、及過渡金屬原子Sc、Ti、V與滿殼層過渡金屬原子Pd分散在基底(8,0)碳納米管上的氫吸附情況和氫吸附機(jī)制。其主要內(nèi)容包括:
　　首先詳細(xì)研究了3d過渡金屬原子的氫吸附能力、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和氫吸附機(jī)制。研究結(jié)果表明:所有3d過渡金屬中除Cu與Zn不吸附氫以外,其他的過渡金屬元素均能至少吸附8個氫分子,且吸附8個氫分子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)很相似。這些有趣的氫吸附結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)是由于過渡金屬元素的氫吸附機(jī)制決定的。因?yàn)?(i)過渡金

3、屬元素的氫吸附結(jié)構(gòu)是由過渡金屬元素吸附氫后占據(jù)在d軌道的電子排布決定,氫分子分布在金屬原子電荷密度分布較少的區(qū)域。因此,d軌道的電子排布不僅影響其吸附結(jié)構(gòu),而且決定了該元素的氫吸附能力。(ii)過渡金屬元素的氫吸附能主要由靜電吸附?jīng)Q定。該靜電吸附是由于過渡金屬原子吸附氫后,其4s→3d電荷轉(zhuǎn)移,從而在金屬元素周圍形成了較大的極化靜電場,導(dǎo)致氫分子的極化吸附。同時吸附的氫分子在極化電場作用下形成的超分子結(jié)構(gòu),使H2-H2之間存在較強(qiáng)的相互

4、作用,進(jìn)一步降低了金屬對氫分子的吸附能。
　　通過過渡金屬單原子氫吸附的研究表明,早期過渡金屬元素Sc,Ti,V具有非凡的氫吸附能力。而碳納米管具有獨(dú)特優(yōu)越的性質(zhì),可作為分散襯底材料。作為示例,研究了Sc,Ti,V分散在(8,0)碳納米管上的氫吸附能力。正如預(yù)測的一樣,由于空間結(jié)構(gòu)的影響,Sc,Ti,V/(8,0)SWCNT可吸附4個氫分子。如果Sc,Ti,V原子均勻分散在(8,0)SWCNT上,其儲氫重量比可達(dá)8.00wt.％,