石墨烯基納米材料儲(chǔ)氫性能的理論研究.pdf_第1頁(yè)
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1、充分利用氫能使用的分散性和不連續(xù)的特點(diǎn),解決氫的儲(chǔ)存問(wèn)題,儲(chǔ)氫材料是可供選擇的最佳方案,而且用于儲(chǔ)氫的材料必須具備成本低廉、安全性高、效率高、氫的再利用穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。新型納米材料的出現(xiàn)為儲(chǔ)氫材料的研究提供了新的研究方向和思路。本論文利用基于第一性原理的密度泛函理論計(jì)算方法,研究了石墨烯基納米材料的儲(chǔ)氫性能及吸附機(jī)理,主要內(nèi)容包括以下幾部分:
   (1)石墨烯因其具有較大的表面積和獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)而被認(rèn)為是一種非常重要的儲(chǔ)氫材料

2、。石墨烯的大規(guī)模制備使得其作為儲(chǔ)氫材料成為可能。Li摻雜石墨烯的結(jié)合能小于晶體的內(nèi)聚能,Li會(huì)在石墨烯表明形成團(tuán)簇,會(huì)降低基底材料的儲(chǔ)氫量。我們發(fā)現(xiàn)氟摻雜石墨烯形成氟化石墨烯與Li相互作用后的強(qiáng)度增大,從而抑制了金屬團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的形成。另外,氟摻雜石墨烯后,石墨烯的π軌道在費(fèi)米能級(jí)以下會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的擴(kuò)散,且被展寬。因此石墨烯中C-C間作用力會(huì)減弱,會(huì)和吸附的氟原子形成共價(jià)鍵。由此具有sp2雜化的C-C轉(zhuǎn)化為sp3雜化,導(dǎo)致石墨烯結(jié)構(gòu)的變形。摻

3、雜鋰后,碳的sp3和較多的sp2軌道雜化修正了變形的氟化石墨烯結(jié)構(gòu)。鋰摻雜在氟化石墨烯的一側(cè)和兩側(cè),可達(dá)到的儲(chǔ)氫質(zhì)量密度分別為9和16.2wt%。由于氟的電負(fù)性比鋰大,因此鋰會(huì)同時(shí)向氟和石墨烯轉(zhuǎn)移電荷,從而產(chǎn)生較強(qiáng)的電場(chǎng),使H2在Li附近發(fā)生極化。鋰和石墨烯的雜化作用也有利于H2的吸附。我們的結(jié)果證明了通過(guò)引入摻雜原子可以調(diào)控金屬與基底材料的結(jié)合,從而為尋找可逆的儲(chǔ)氫材料提供了理論依據(jù)。
   (2)與單層石墨烯相比,多層石墨烯

4、還有層間范德瓦爾斯相互作用,這使得對(duì)電子特性的調(diào)制多了一條途徑?,F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件已能調(diào)控石墨烯片層數(shù)目及層間距。由于BN與C2的等電子性,碳基納米材料罩的C被B和N取代后形成新型的類(lèi)似于石墨烯的硼氮基納米材料。由于B-N之間的離子鍵作用,使其構(gòu)成的材料作為儲(chǔ)氫材料與碳基材料相比表現(xiàn)出極大的不同。我們研究了通過(guò)改變雙層固態(tài)納米材料(硼化氮(BBN)以及石墨烯/硼化氮雙層結(jié)構(gòu)(GBN))的層間距,研究對(duì)儲(chǔ)氫性能的影響。研究結(jié)果表明:通過(guò)調(diào)整雙

5、層結(jié)構(gòu)的層間距,由于BN間極化作用產(chǎn)生的靜電作用的影響,H2產(chǎn)生了更多的結(jié)合態(tài)。當(dāng)層間距增大到一定數(shù)值時(shí),氫的吸附能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極低點(diǎn),并伴有層間距的進(jìn)一步擴(kuò)展。以此時(shí)氫的結(jié)合作為初態(tài),進(jìn)一步計(jì)算了硼化氮以及石墨烯/硼化氮雙層結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)氫能力,發(fā)現(xiàn)石墨烯/硼化氮雙層結(jié)構(gòu)的Bernal層問(wèn)堆疊方式更優(yōu)于儲(chǔ)氫,其儲(chǔ)氫能力達(dá)到7.69wt%,氫的平均結(jié)合能為-0.20eV/H2。同時(shí)用DMOL3-NVT和CASTEP-NPT兩種分子動(dòng)力學(xué)方法測(cè)試

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