过渡金属/石墨烯复合物催化增强Mg-Al基合金储氢性能及机理研究

In the proposal, we propose to study the enhanced hydrogen storage performances of Mg-Al based alloy with transition metal/grapheme composites by using experimental methods (sintering, heat treatment process, and mechanical chemistry solid state milling) and the first principles calculations. The crystal structures, electronic structures, and hydrogenation processes of hydrogen adsorption, dissociation, and diffusion on the alloy surfaces with adding the catalysts will be discussed. From the microscopic point of views, the morphology of catalyst in the alloys and the mechanism for improving the dynamic and thermodynamic performances of Mg-Al based alloy will be analyzed, which will provide a theoretical basis for thermodynamic tuning of hydrogen absorption/desorption of the Mg-Al based alloy..In experiments, the hydrothermal method will be used to prepare new catalyst materials (transition metal/grapheme composites). The effects of heat treatment technologies, different ball milling times, and addition of catalyses on phase structures, grain sizes, and hydrogen storage performances of Mg-Al based alloy will be studied. The thermodynamic properties of hydrogen absorption/desorption, reaction enthalpy, and phase transition et al, will be investigated by means of PCT, TGA, and DSC et al testing, which will supply experimental supports for the first principles calculations and analyses.

采用烧结、热处理、机械化学固态球磨等实验制备方法和第一性原理计算探究过渡金属/石墨烯复合物催化增强Mg-Al基合金储氢性能和机理。探讨复合物催化剂的加入对镁铝合金的晶体结构、电子结构的影响以及氢化反应过程中氢吸附、解离、扩散于合金表面的过程。以期从微观角度获得催化剂在合金中存在的形态和改善Mg-Al基合金动力学、热力学性能的储氢机理。为Mg-Al基合金吸放氢热力学调控提供理论依据。实验上利用水热法制备新型石墨烯负载材料，采用热处理工艺、不同球磨时间、催化掺杂等对Mg-Al基合金相结构、晶粒尺寸、储氢性能的影响进行研究。对样品进行PCT、TGA 、DSC等储氢性能测试获得合金吸放氢过程的热力学特性、反应焓和相变等，为理论计算和分析提供实验支持。

Mg-Al合金储氢材料来源丰富、质量轻、合成成本低等特点被人们广泛关注。目前镁铝合金材料吸放氢热力学和动力学性能尚未达到实际应用需要。本项目采用第一性原理计算和实验方法探究金属及其化合物，以及石墨烯负载材料的添加对Mg-Al合金储氢性能的影响，探讨了催化剂的加入对镁铝合金的晶体结构、电子结构的影响以及氢在改性合金表面吸附、解离、扩散过程。具体工作：.利用密度泛函理论(DFT)研究了简单金属（Li），碱土金属(Be,Ca,Sr,Ba)，过渡金属 TM (TM=Ti、Ni、V) 及其化合物，和石墨烯负载材料(MnO@G)掺杂对 Mg17Al12表面吸氢性能的催化机制。通过研究催化剂作用 Mg17Al12 表面后氢和氢气的吸附，解离情况，获得了氢在催化剂作用下Mg17Al12 表面吸附结构、解离势垒、扩散路径、渗透过程以及电子结构等一般特性。从微观角度获得催化剂在合金中存在的形态和改善Mg-Al合金动力学、热力学性能的储氢机理。结合电子结构分析等计算手段，从电子角度解释了不同催化剂催化对改善Mg17Al12合金吸放氢可逆反应热力学和动力学的原因。实验方面采用冷压、烧结、破碎、等离子球磨、机械球磨等方法探究金属催化剂的加入对 Mg-Al 合金储氢性能的影响。例如在实验上通过添加过渡金属 V 以及 V 基化合物 (氧化物、氟化物、氯化物、碳化物等)，和石墨烯负载材料(MnO@G)制备了 Mg17Al12 复合材料。测试结果上述催化剂的加入改善了 Mg17Al12合金材料的热力学性能，降低了合金的吸放氢温度。对合金氢化反应前后及放氢后进行 XRD 分析，明确在氢化过程中过于稳定不易氢化的储氢相。根据 PCT 等性能测试，研究吸放氢过程的热力学特性；通过 TGA、DSC 测试，研究合金吸放氢反应焓和相变。结合理论计算筛选出提高 Mg-Al 合金材料吸放氢热力学、动力学性能的最优金属材料。