轻过渡金属簇修饰的石墨烯储氢过程中氢成键形态的理论研究

Doping 3d transition metal species is a promising strategy to enhance the hydrogen storage performance of graphene at room temperature. However, there is still no consensus reached so far on the site and configuration of the adsorbed hydrogen. Then, the hydrogen storage research of 3d transition metal cluster decorated graphene was blocked. This project will take the hydrogen storage properties of 3d transition metal cluster TMn decorated graphene (TM = Sc, Ti, V, Ni) as the research objiect. Using density functional theory and ab initio molecular dynamics simulation, we will conduct a systematic investigation on adsorption, dissociation, migration and diffusion of hydrogen. The relationship between the hydrogen storage capacity and the dynamic elements such as intermediate, transition state, and the path of hydrogen transfer will be analyzed. Research goals of this project are: seaching for the rules of the position and configuration of the adsorbed hydrogen on 3d transition metal cluster decorated graphene, and disclosing the relationship between the adsorption quantity and structure of metallic species. This project helps to provide theoretical guidance for designing and developing new types of hydrogen storage materials at room temperature.

轻过渡金属修饰是提高石墨烯室温储氢性能的最有效途径。由于复杂的成键作用，储氢过程中氢的位置和形态迄今为止没有形成共识，严重制约了轻过渡金属簇修饰石墨烯的储氢研究。本项目拟以轻过渡金属簇TMn（TM=Sc, Ti, V, Ni）修饰的石墨烯为研究对象，结合密度泛函理论与从头算分子动力学模拟，系统研究氢的吸附、解离、迁移、扩散等过程，考察室温可逆吸附量与中间体、过渡态和氢转移路径等动力学要素之间的关系。研究目标是探索轻过渡金属簇修饰的石墨烯储氢过程中氢存在的位置和形态规律，构建吸附量与结构之间的关系。项目的实施将为设计和开发新型室温储氢材料提供理论指导。

氢能具有清洁、单位质量能量密度高、可再生等特性，是21世纪主要的新能源之一，实现氢能经济，寻找高效、安全的储氢材料是关键。轻过渡金属修饰是提高石墨烯室温储氢性能的最有效途径。由于复杂的成键作用，储氢过程中氢的位置和形态迄今为止没有形成共识，严重制约了轻过渡金属簇修饰石墨烯的储氢研究。本项目以金属修饰的碳材料出发，通过静电相互作用、Kubas作用及其协同作用进行储氢材料的设计，并探索氢在轻过渡金属修饰的碳材料上吸附、解离、迁移、扩散四个过程中可能的成键位置和形态等，研究目标是探索轻过渡金属簇修饰的石墨烯储氢过程中氢存在的位置和形态规律，构建吸附量与结构之间的关系。.项目主要结论和成果有：1）轻过渡金属-苯配合物与氢成键规律：氢分子倾向于解离并发生H原子迁移形成CH2基团；CH2基团倾向于相邻连接。2）阐明轻过渡金属苯配合物的氢吸附机制是化学吸附和物理吸附协同进行的。TiC6H6通过增加/降低氢气压力，可以快速实现具有6.02 wt%的吸附和释放的简单转换。3）发现引入缺陷和杂原子取代可以使轻过渡金属在石墨烯表面不发生团聚并增加金属浓度提高室温储氢量。4）明确了不同尺寸负载金属簇上氢的成键形态变化：H原子倾向于形成桥H>面H>端H。5）揭示了这类材料轻过渡金属簇修饰的石墨烯储氢过程中由于H迁移能垒为5.66-6.51 eV，不会发生氢溢流，会以H原子或者活化分子形式被吸附，并明确了吸附量与结构之间的关系。6）找到了十种新型具有特殊的稳定性、较大的比表面积、很高性能的Sc/Ti修饰的B24N24, B24C24, C24N24的储氢结构，填补了缺陷零维储氢材料的空白。7）探索了拓扑半金属材料再储氢领域的潜力，证明了拓扑半金属Li2CrN2二维材料是一种很有前途的储氢介质。