基于富勒烯的新型纳米材料储氢性能研究

储氢材料是当今世界新能源研究中的一个非常活跃的方向，也是当前我国实施低碳经济战略过程中所关注的热点课题。基于富勒烯的新型纳米材料成为较有希望的储氢材料，是储氢研究的一个前沿领域。然而，关于新型富勒烯储氢材料中各种不同的吸附机制的研究以及对储氢性能影响规律性的认识，储氢过程中的结构稳定性，以及富勒烯材料中氢存储和氢释放的动力学过程等许多问题还有待人们迫切去解决。本项目拟采用第一性原理计算和巨正则蒙特卡罗分子动力学方法对新型富勒烯纳米材料储氢性质进行系统深入的研究，探索富勒烯储氢材料中各种氢吸附机制，分别研究氢储存和氢释放随温度、压力等动力学过程的变化规律，分析储氢过程中的结构稳定性，为设计出更好的新型富勒烯储氢材料提供科学依据、理论指导和研究思路。可以说，本项目是一项既具有科学研究价值，又有技术应用前景的基础性前沿课题。

本项目主要采用密度泛函理论方法和基于第一性原理的分子动力学方法系统研究基于富勒烯和团簇的新型纳米材料的储氢性能和储氢机制。首次得到储氢性能最佳的衍生物Fe12C48B12-60H2，Co12C48B12-48H2，和Ni12C48B12-48H2，储氢质量高达8.7wt%，6.8wt%，和6.8wt%，超过美国能源部制定的在2017年达到5.5 wt%的要求；首次研究发现多孔富勒烯C24B24包含的6个B4空穴可以很强的结合Ti原子, 该体系对氢分子的吸附能在0.22~0.55 eV之间，最大的储氢质量密度为9.1 wt%，超过美国能源部制定的在2017年达到5.5 wt%的要求。使用密度泛函理论首次计算发现，Ti原子修饰的Si@Al12通过Dewar-Kubas作用对H2有较强的吸附，Ti20-Si@Al12-nH2在室温条件下的储氢量可以理论高达15.5 wt%，刷新了同等条件下储氢的纪录，远远高于碳纳米材料(3.0 wt%)和金属有机骨架材料(2.5 wt%)，此外，该体系室温下可以释放一定数量的H2分子，因此Ti原子覆盖的Si@Al12具有良好的可逆储氢性能。使用密度泛函理论首次发现金属原子修饰的富勒烯C20M(M=Li, Ti, Fe)和C18B2M(M=Li, Ti, Fe)的储氢数目与18电子规则相吻合,体系对H2的平均吸附能在0.25~0.80eV范围之内，因此可以实现常温下对氢的可逆吸附。采用密度泛函理论研究首次分析可知C6Li主要通过Li原子与H2O之间形成的偶极矩作用来吸附H2O分子，与C60Li12的储氢机制类似，C6Li可以催化H2O分子得到H2，为储氢材料的制备提供一个新的思路。本项目的创新价值在于理论预言几个对氢气具有良好吸附和存储性能的富勒烯-团簇组装新型纳米材料，如 C48B12，Tin-Si@Al12，C24B24，C18B2等，可以为设计更好的储氢纳米材料提供科学依据和理论指导。