幾類多孔材料儲(chǔ)氫性能的改性研究.pdf

1、氫能是一種理想的清潔能源，尋找合適的材料來存儲(chǔ)足夠的氫氣滿足實(shí)際需要是目前氫能利用的關(guān)鍵問題。本論文首先介紹了目前世界能源現(xiàn)狀、氫能的優(yōu)點(diǎn)及存儲(chǔ)方法，回顧了多孔納米材料的儲(chǔ)氫研究進(jìn)展，并總結(jié)了影響多孔材料氫氣存儲(chǔ)的因素。關(guān)于預(yù)測(cè)和模擬的理論基礎(chǔ)，包括量子計(jì)算化學(xué)的發(fā)展歷史、密度泛函理論和巨正則蒙特卡洛方法等，以及計(jì)算中用到的量子化學(xué)計(jì)算軟件包，在論文中予以詳細(xì)介紹。
　　 我們通過富勒烯嵌入和鋰摻雜的組合方法改性IRMOF-10

2、、-12和-14三種大孔徑的金屬有機(jī)骨架材料(MOF)。巨正則蒙特卡洛模擬預(yù)測(cè)了它們?cè)诮h(huán)境條件下，組合修飾的MOF結(jié)構(gòu)可以獲得良好的儲(chǔ)氫質(zhì)量密度和體積密度，從理論上實(shí)現(xiàn)了美國能源部制定的雙重目標(biāo)。第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鋰原子在材料上失去部分電荷而引起的靜電場(chǎng)對(duì)其周圍的吸附的氫氣具有極化效應(yīng)，這將增強(qiáng)了氫氣在材料中的結(jié)合能，最終引起氫氣存儲(chǔ)性能的提升。富勒烯摻雜的主要影響集中在兩個(gè)方面——增加氫氣體積存儲(chǔ)量和提供鋰原子摻雜的位置。材料的物

3、理性質(zhì)對(duì)氫氣存儲(chǔ)性能也有一定的影響，包括吸附焓、晶體密度、表面積、孔隙體積等。
　　 通過碳納米管嵌入和鋰摻雜相結(jié)合的組合方法，改性大孔徑共價(jià)有機(jī)骨架材料COF-108，其氫氣存儲(chǔ)性能可以達(dá)到5.83 wt％和32.4 g/L，是一種非常良好的氫氣存儲(chǔ)材料。組合改性方法中，碳納米管的主要作用是提供更多的鋰摻雜位置，鋰的主要作用是提高材料的氫氣存儲(chǔ)性能。我們嵌入不同直徑的納米管來探究氫氣存儲(chǔ)的最佳孔隙直徑，分析孔隙與存儲(chǔ)量的關(guān)系發(fā)

4、現(xiàn)，最適合氫氣存儲(chǔ)的孔隙直徑在4～5(A)之間，大約為氫氣動(dòng)力學(xué)直徑的1.5倍。
　　 此外，我們還研究了二維多孔碳材料的改性及其儲(chǔ)氫能力。密度泛函計(jì)算優(yōu)化了氫氣吸附在氮替代摻雜的多孔石墨烯(1 Li-nN-PG)材料上的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)單個(gè)鋰原子周圍能夠穩(wěn)定吸附至少3個(gè)氫氣分子。差分電荷密度以及結(jié)合能確定了氫氣的存儲(chǔ)受到了鋰原子和氮原子的雙重影響;在硼摻雜的多孔石墨烯中，通過比較氫氣吸附的幾何結(jié)構(gòu)、吸附能發(fā)現(xiàn)金屬鈣原子摻雜比鋰摻雜對(duì)

5、氫氣儲(chǔ)存更加有利，而GCMC模擬結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)，4Li-2B-PG-H和4Ca-2B-PG-H中氫氣的室溫存儲(chǔ)性能分別達(dá)到了6.4 wt％和6.8 wt％，它們均超過了U.S.DOE的目標(biāo);研究硼摻雜的石墨一炔發(fā)現(xiàn)，除了摻雜的硼、鋰原子外，主體材料本身的基團(tuán)——炔基對(duì)氫氣的存儲(chǔ)性能也有影響，而第一性原理計(jì)算、基于從頭算的分子動(dòng)力學(xué)模擬以及GCMC模擬均顯示，鋰修飾的BG是一種在室溫下具有較高氫氣存儲(chǔ)性能的材料，在100bar下可高達(dá)7