团簇组装储氢材料的理论设计

Hydrogen is an ideal alternative energy source of fossil fuels, and hydrogen storage is the key to realize the effective utilization of hydrogen energy. The cluster is a new structural level between atoms/molecules and the macroscopic bulk, and cluster-assembled materials present many peculiar properties. Cagelike clusters is a kind of common stable clusters. H2 molecules could be adsorbed on the outer surface of the cluster and storaged in the internal space of the cluster. Although a large number of surface adsorption sites are taken up, the internal space can be well preserved, when clusters are assembled into materials. This project aims to study hydrogen storage in cluster-assembled materials, mainly including rules and mechanisms of hydrogen encapsulation in cagelike clusters, structures and properties of cluster-assembled materials, and performance of hydrogen storage in cluster-assembled materials. The successful implementation of this project is very important to promote the effective utilization of hydrogen energy and the development of cluster-assembled materials. It would provide the theoretical basis and scientific guidance for the design and development of hydrogen storage materials.

氢能是化石燃料的理想替代能源之一，其中氢的存储是实现氢能有效利用的关键。团簇作为介于原子分子和块体之间的物质结构新层次，其组装成的材料具有许多奇异的性质。笼状团簇是一类常见的稳定团簇，除了外表面可以吸附氢分子外，其内部也可以储氢。当笼状团簇组装成材料时，虽然有些表面吸附位会被占据，但团簇内部空间得以保留。本项目将结合多种电子结构计算方法研究氢分子在笼状团簇所组装成的材料中的存储性能，主要包括利用分子轨道理论研究笼状团簇内嵌储氢的规律和机理、使用密度泛函理论研究团簇组装材料的结构与性质以及团簇组装材料储氢的性能和机理、并采用分子动力学模拟讨论它们在有限温度下的热稳定性。本项目的成功实施对促进氢能的有效利用和团簇组装材料的发展都具有重要意义，将为新型储氢材料的开发和设计提供理论基础和科学指导。

氢的储运是实现氢能有效利用的关键步骤之一。团簇是介于原子分子和块体材料之间的一类物质结构，具有不同于这两者的独特结构与性质，探究团簇材料的储氢性能有重要意义。笼状团簇是一类常见的稳定团簇，这类团簇有两种储氢方式，一种是在外表面吸附氢分子，另一种是把氢分子存储到笼状结构内部。本项目通过高精度的从头计算方法研究了MgO、BCN等笼状团簇体系的储氢性能。对于(MgO)12笼状团簇，研究发现其外表面储氢的质量密度高达9.1 wt%，H2分子平均吸附能为0.116 eV，其内部可以按照规则的方式存储6个H2分子（对应质量密度为2.4 wt%），从笼内释放H2分子需要跨越的能垒呈阶梯状分布0.43-2.55 eV。对于担载Li原子的B12C6N6团簇，储氢的质量密度达到8.63 wt%，H2分子平均吸附能为0.21-0.24 eV。这些研究结果提供了技术参数较为理想的储氢材料候选体系。同时在研究中总结的方法和经验可以借鉴到今后团簇储氢材料的设计开发中。该项目资助发表SCI学术论文5篇，参加国际学术会议2次，参加国内学术会议5次。项目直接经费20万元，已支出15.6538万元，各项支出与预算基本相符。剩余经费4.3462万元将用于本项目后续研究支出。