低温下多孔储氢材料表面吸附特性动力学的理论研究

多孔储氢材料对解决规模储氢问题发展氢能源有重要意义，目前已合成出许多具有储氢潜力的新型多孔碳材料,但对吸放氢机理缺乏系统化的研究。惯性约束聚变ICF和强场物理实验需要较高储氢密度材料，多孔吸附材料因容易先制备成所需靶型，再吸附DT燃料，释氢动力学性能优越而有可能取代金属氢化物，在ICF和强场实验中有独特的应用前景。多孔吸附材料的储氢与结构的理论研究是认识储氢机理和进一步优选储氢结构的重要途径。本课题针对氢在可调纳米孔隙多孔储氢材料（可调孔隙碳结构、金属和共价有机框架结构材料）的表面吸附特性、可逆储氢的动力学过程进行理论研究，在提高计算精度、考虑量子力学效应的基础上研究氢的吸附机制，采用含时密度泛函理论结合多尺度分子动力学方法研究室温至液氦温区内氢吸附动力学，进而研究储氢效率和持久性；确定最佳储氢孔径尺寸, 提供金属有机框架结构最佳储氢配比和结构，并给出利用氢溢流机制进一步提高储氢量的方法。

主要有以下研究内容：.（一）研究了挖孔C60富勒烯在室温和低温条件下的储氢性能，通过与未挖孔C60对比发现，这一方法可以在理论上提高C60的储氢量；同时孔洞的大小对储氢量有较大影响，同样条件下具有较大孔洞的C60具有较高的储氢量。（二）设计了基于六面体结构的倍半硅氧烷的多孔材料，主要考虑到倍半硅氧烷自身的热力学稳定性好等特点而选择其作为构架单元，并且选择苯环作为有机连接体，同时选择了两种空间拓扑结构LTA和ACO进行设计。通过材料对CH4和H2的吸附分离性能研究发现，所设计材料既具有很好的吸附性能又有很好的分离性能，从而达到氢气储存和净化的作用.（三）设计基于金刚烷和苯基连接体的具有类金刚石结构的多孔储氢材料。金刚烷具有高度稳定的四面体结构，同时结合金刚石结构的高度稳定性，通过改变有机连接体的长度，设计出具有不同尺度孔洞的材料。这是一类只有碳、氢元素的多孔材料，具有很小的密度，同时具有较高的孔隙率和比表面积在当前的储氢材料中名列前茅的。（四）研究了氢气在金属掺杂简称COFs中储存性能。由于COFs的构建单元与气体分子之间的力主要是范德瓦尔斯力，气体分子吸附在COFs表面的键能非常低，不适合在常温下储存气体。我们通过金属原子的掺杂，在COFs 的表面引入强的吸附位，增大氢气分子在COFs 中的键能。选择了两种三维的COFs，分别研究了碱土金属离子Ca2+ 和Mg2+在COFs中的掺杂。Ca2+ 和Mg2+ 在COFs的表面不会发生团簇，能够稳定的连接在COFs 的表面。（五）研究了氢溢流机制，并提供足够的氢原子供COF材料化学吸附。使用密度泛函理论（DFT）方法研究了氢原子在COF表面的化学吸附、氢原子从金属团簇（Pt4）向COF 表面迁移、以及氢原子在COF 表面解吸附的特性。.取得的研究成果：.发表SCI论文40余篇;其中影响因子大于3的论文18篇，包括在Physical Review Letters 发表3篇 （分别为第一作者,通讯作者和第二作者）；在PNAS（美国科学院院刊）1篇(第二作者)；APL（2篇）(第一作者1篇,通讯作者1篇)；PRB（2篇）(均为第一作者)；在JPCC；PCCP；JCP；JPCA等发表10余篇（均为第一或通讯作者）。研究成果得到国际同行的高度认同,以第一作者在APL的论文被Asian Materials评为Highlight论文