基于低维纳米材料的水分解制氢储氢的理论研究

Hydrogen has long been regarded as one of the most promising energy carriers because it is clean, energy-efficient and abundant. Unfortunately, the challenge of hydrogen purification and safe storage has limited large-scale application of hydrogen energy. To overcome this difficulty, we plan to design some nano composite structures using low-dimensional nanomaterials with excellent performance for hydrogen production and storage with the help of first-principles calculations. Taking advantage of selective permeability of hydrogen atom/proton of graphene-like materials, some typical low-dimensional nanomaterials will be chosen and their electronic structures and reaction processes will be systematically studied. Based on the simulation results, we want to unearth the influence of some crucial parameters (charge separation and migration, electrostatic field distribution etc.) on the hydrogen production and storage performance. And ultimately, we will develop a feasible route for the performance optimization as well as facilitate quick evaluation of the hydrogen generation and storage ability. We expect to pave an alternative way for realistic utilization of hydrogen energy.

氢能来源广泛、能量密度高且清洁无污染，是未来最有前景的能源之一，然而氢气的提纯分离和安全存储运输上的困难抑制了氢能的大规模开发利用。为了解决这些问题，申请人基于前期研究成果，拟从理论计算模拟的角度，选取多种典型的低维纳米材料，利用类石墨烯仅允许氢原子(质子)通过的特性，设计和优化纳米结构并模拟其电子结构与水分解制氢储氢性能，评估并优选出一系列性能优良的低维纳米材料应用于制氢储氢一体化研究中。此外，申请人将通过对反应过程的理论模拟，聚焦于挖掘体系内电荷分离和迁移机理、静电场分布等微观参量对宏观反应机理和制氢储氢性能的驱动和影响关系。最终，建立并发展低维纳米材料性能优化的可行路线，实现材料在制氢储氢性能上的快速预测和评估，指导实验设计，为氢能的大范围推向实际应用提供新的思路和方法。

光催化水分解制氢是将太阳光能转化为清洁氢能的有效方法，然而光激发的局域性使得还原和氧化位点产生的氢气和氧气难以分离，同时，氢气的安全存储和输运也是一项长期的挑战。为了解决这些问题，我们从理论出发，进行了以下研究：1）提出以电荷极化为基础的材料设计策略，利用功函数和电负性差异诱导的电荷极化，设计了碳纳米管/碳氮纳米管和硼碳氮/金属团簇复合体系，促进水解制氢体系氧化和还原位点的有效分离，实现了氢气的有效传输。2）通过解析体系组分的相互作用进行理性构效，调控活性位点电子结构，改善反应性能。例如利用碳纳米管限域的相邻双活性位点间相互作用，打破传统的线性关系，实现水分解析氧反应的活性提升；通过复合、掺杂等调控水解析氢和氧气还原等反应过程。本项目致力于探索影响低维纳米材料性能的关键物理化学机制，为解决光解水制氢的技术瓶颈提供新的思路和方法。