堿金屬修飾的三維共價有機骨架材料儲氫性能研究.pdf

1、共價-有機骨架材料(Covalent-Organic Frameworks, COFs)是一種類似于沸石結(jié)構(gòu)的新型納米多孔材料，具有較大的比表面積和空隙率、熱穩(wěn)定性好、密度小等特點，可應(yīng)用在氣體儲存和分離等領(lǐng)域。氫能以其熱值高、無污染、來源豐富等優(yōu)點，被稱為21世紀(jì)的理想能源。氫氣的儲存是氫能利用的關(guān)鍵技術(shù)之一，決定著氫能能否得到廣泛應(yīng)用。目前COFs用于氫氣儲存方面還有很多有待解決的問題，諸如吸/放氫動力學(xué)、溫度及性能改善的機理等。<

2、br>　　計算材料學(xué)方法不僅可以突破傳統(tǒng)方法中的局限性，而且還可為最佳吸附材料的設(shè)計和最優(yōu)操作工況的確定提供理論依據(jù)，實現(xiàn)從以經(jīng)驗為主向定量、定向制備的轉(zhuǎn)變，從而節(jié)省大量繁雜的實驗研究。因此，開展對 COFs中氫氣吸附性質(zhì)的理論研究，具有非常重要的實際意義。
　　本文采用第一原理和分子模擬兩種方法研究了堿金屬(Li, Na, K)修飾的COFs(本文選取COF-108為研究對象)的儲氫性能進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究，采用基于第一原理的S

3、IESTA(Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms)計算軟件研究COF-108的結(jié)構(gòu)特征和穩(wěn)定性，確定金屬元素在COF-108中占據(jù)位置及其對體系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)的影響，研究了氫分子在COF-108及堿金屬修飾的COF-108中的吸附及與基體的相互作用，并采用巨正則蒙特卡洛法模擬了COF-108和堿金屬修飾的COF-108的吸氫行為

4、。
　　研究結(jié)果表明：(i) H2在無堿金屬修飾的COF-108中的吸附能為0.03 eV，與Van de Waals相互作用相當(dāng)，說明H2為物理吸附于COF-108中。(ii)本文所研究的三個堿金屬元素Li、Na和K元素在COF-108中的摻雜性質(zhì)相似，都可與基體原子之間有一定的成鍵作用，三者均傾向于占據(jù)苯環(huán)中心位置，距離苯環(huán)的距離從2.4到3.6?，三者在COF-108中的摻雜能分別為0.451 eV、0.265 eV和0.5