含金属的轻质纳米体系吸附及解离氢的理论研究

Hydrogen storage technique is a substantial challenge for the application of hydrogen energy. Solid state storage is superior with regard to its storage capacity, energy efficiency and safety. This project will study the properties of H2 adsorption and dissociation on metal-coated C/BN/AlN nanostructures and Mg/Al based lightweight nanomaterials. We will design systems having alkali metal or alkaline-earth metal atoms dispersed over the surface of C/BN/AlN nanostructures. By doping other nonmetal atoms, the electronic structures of the nanostructures can be modified and strong interactions between the coated metal atoms and the C/BN/AlN structures can be formed. The adsorption strength and the storage capacity will be enhanced by polarization effect under the electric field produced by the positively charged metal ions. For Mg/Al based nanoclusters, we will modify their electronic structures to form strong orbital interactions with H2 molecules, so H2 molecules will be strongly adsorbed or easily dissociated on these systems. The aim of this project is to explore the manners to enhance the adsorption of H2 on nanomaterials or search the systems having low energy barriers for H2 dissociation. By analyzing the mechanisms of the enhanced adsorption and dissociation at the molecular orbital level, we hope the studies will indicate directions for searching reversible hydrogen storage materials which can operate at ambient temperatures with high recycling storage capacity.

氢的储运是制约氢能利用的关键技术，研究和开发储存密度高、具有优良热力学和循环动力学性能的固体储氢材料是解决氢的高效安全储运的基本途径。本项目将研究含金属的轻质纳米体系吸附及解离氢的性能。通过对C、BN及AlN纳米体系进行掺杂改性形成具有特殊电子结构的纳米材料，使之能与担载的金属原子形成较强的相互作用，从而形成高分散的金属正离子，以提高对H2的吸附强度和存储密度。对Mg/Al基纳米体系通过掺杂其他金属或非金属元素形成复合体系，调控其电子结构，使之能与H2形成较强的轨道相互作用，从而提升其吸附及解离H2的性能。本研究将探寻提高纳米体系吸附H2的强度和解离H2的途径，并在分子轨道水平研究其机理，为寻找在室温下具有优良储氢性能的材料提供理论基础和科学指导。

氢的储运是制约氢能利用的关键技术，研究和开发储存密度高、具有优良热力学和循环动力学性能的固体储氢材料是解决氢的高效安全储运的基本途径。本项目研究了含金属的轻质纳米体系吸附及解离氢的性能。实验和理论表明金属阳离子能与H2形成适中的结合强度，提高负载金属离子的电荷量（增强极化作用）和改善金属离子在纳米材料上的分散是要解决的两个关键问题。由于碱金属离子对H2的吸附强度随离子半径增大而降低，我们重点研究了Li/Na掺杂纳米体系的储氢性质。对Li掺杂的BN、部分氧化石墨烯及单层蓝磷储氢性质的研究表明Li掺杂后形成正离子，通过极化H2分子形成较强的吸附。对H2的吸附与解离，熵的影响非常重要，而相关的实验和理论研究几乎空白，我们研究了H2分子吸附在不同的负载金属离子上的熵变，分析了熵对储氢性质的影响，并得到了室温下可逆储氢的最优条件。提出利用超碱团簇NLi4取代碱金属担载在石墨烯和单层BN上，解决了金属离子在纳米材料表面的分散问题。设计了碱金属掺杂Al团簇形成的具有强极性的Zintl相体系，即Aln团簇形成中心阴离子，碱金属以正离子的形式与其结合；这些Zintl相团簇能很好地吸附和解离H2。对典型的化学储氢体系硼氢化物和铝氢化物，降低脱氢温度是需要解决的关键问题。我们通过在硼氢化物和铝氢化物中引入给电子能力较弱的Sn和Si原子，有效削弱了B-H/Al-H键，从而降低了脱氢温度。我们还研究了非金属掺杂的金属团簇，发现了新的幻数体系，并提出用超原子轨道与非金属原子轨道的作用解释了其稳定性根源。本研究为设计在室温下具有优良储氢性能的材料提供理论基础和科学指导。