电场中LiF分子吸附H_2的理论研究

采用密度泛函理论方法研究了电场中H_2在LiF分子上的吸附行为.结果表明,无电场时,H_2能在Li与F原子上形成弱的物理吸附.外加电场可显著提高其吸附强度, H_2在Li/F上的吸附能由无电场时的-0.112/-0.122eV提高到场强为0.005 a. u.时的-0.122/-0.171 eV, H_2吸附在F上时更稳定.利用分子中的原子量子理论(QTAIM)方法研究了电场增强吸附的机理,表明电场促进了H_2与LiF间的电荷转移,同时使LiF及H_2极化,增强了其间的静电作用,从而提高了吸附强度.电场中LiF最多能吸附10个H_2,相应的质量密度达43.5 wt%.表明电场诱导LiF材料吸附H_2是一种具有潜力的储氢方法.     

MgH2+20%(w)MgTiO3复合材料的吸/放氢性能

为了降低MgH₂的吸放氢温度, 提高其吸放氢动力学性能, 本文通过球磨方法制备了MgH₂+20%(w)MgTiO₃复合储氢材料, 并研究了其储氢性能. X射线衍射(XRD)结果表明, MgTiO₃在与MgH₂球磨过程中生成Mg₂TiO₄和TiO₂, 并且Mg₂TiO₄和TiO₂在体系的吸放氢过程中保持稳定, 能够对MgH₂的吸放氢过程产生催化作用. 程序升温脱附和吸/放氢动力学测试结果表明, 添加MgTiO₃后MgH₂的初始放氢温度从389 ℃降至249 ℃.150 ℃下的吸氢量从0.977%(w)提高到2.902%(w), 350 ℃下的放氢量从2.319%(w)提高到3.653%(w). 同时, MgH₂放氢反应的活化能从116 kJ·mol^-1降至95.7 kJ·mol^-1. 与MgH₂相比, MgH₂+20%(w) MgTiO₃复合材料的热力学与动力学性能均有显著提高, 这主要是由于球磨和放氢过程中原位生成的TiO₂和Mg₂TiO₄具有良好的催化活性.     

添加叔丁醇钾对Mg(NH2)2-2LiH体系储氢性能的影响

叔丁醇钾(C_4H_9OK)的添加显著改善了Mg(NH_2)_2-2LiH体系的储氢性能。添加0.08 mol C_4H_9OK的Mg(NH_2)_2-2LiH-0.08C_4H_9OK样品表现出最佳储氢性能。该样品的起始放氢温度仅为70℃,较Mg(NH_2)_2-2LiH原始样品降低了60℃;130℃完全放氢后,该样品可在50℃开始吸氢,较原始样品降低了50℃。Mg(NH_2)_2-2LiH-0.08C_4H_9OK样品可在150℃的等温条件下50min内迅速放出质量分数3.82%的氢气,完全放氢后可在120℃的等温条件下50 min内快速吸收质量分数4.11%的氢气,表现出良好的吸放氢动力学性能。C_4H_9OK的添加降低了样品放氢反应的表观活化能和反应焓变,改善了放氢反应的动力学和热力学性能,从而降低了放氢反应温度。进一步的放氢反应机理研究发现,在180℃之前,C_4H_9OK对Mg(NH_2)_2-2LiH体系的放氢起催化改性作用;温度继续升高后,C_4H_9OK将会分解并参与放氢反应最终生成Li_3K(NH_2)_4。     

Sc,Ti,V修饰B/N掺杂单缺陷石墨烯的储氢研究

3d过渡金属修饰是改善石墨烯储氢性能的最有效途径, 但仍存在金属团聚和H₂解离导致难以脱附的问题. 提出了B/N掺杂单缺陷石墨烯(BMG/NMG)的策略来避免以上两个问题. 密度泛函理论计算结果表明, N掺杂可以使Sc, Ti, V与石墨烯的结合能提高3~4倍, B掺杂可以将Sc与石墨烯的结合能提高3倍. Sc/BMG和Sc/NMG吸附的第一个H₂不会解离. Sc/BMG中Sc吸附5个H₂, 平均氢分子结合能为-0.18～-0.43 eV, 并且可以通过在同侧锚定多个Sc原子形成Sc/C₃B₂五元环增加H₂吸附位点. Sc/NMG中每个Sc吸附6个H₂, 平均氢分子结合能为-0.17～-0.29 eV, 还可以通过在异侧修饰形成Sc/N₃/Sc单元进一步提高储氢能力. 研究结果将为设计基于3d过渡金属修饰碳材料的储氢材料提供理论基础.     

用量子力学研究膦化三氢化铝储氢材料在磷化氢催化作用下的释氢反应机理

利用量子力学第一原理研究了储氢材料膦化三氢化铝(AlH3PH3)在催化剂膦(PH3)作用下的释氢反应机理;首先在MP2/aug-cc-pVDZ水平上计算了反应物、过渡态和产物的几何构型和频率,进而利用内禀反应坐标理论确定了反应的最小能量路径,随后在CCSD(T)/aug-cc-pVDZ水平上对基于MP2优化的几何构型进行了能量校正.结果表明,AlH3PH3释氢的能垒高于Al―P键的离解能,而催化剂PH3不能降低AlH3PH3的释氢能垒.因此,需要寻找其他的催化剂以使AlH3PH3成为一种合用的储氢材料.     

钪元素对AB2型合金Zr1-xScxMn0.6V0.2Ni1.2Co0.1（x=0～1）储氢和电化学性能的影响

用真空电弧熔炼方法制备了Zr1-xScxMn0.6V0.2Ni1.2Co0.1(x=0～1)AB2型储氢合金,研究了Sc元素替代Zr对合金的微观组织结构、气态储氢及电化学性能的影响。研究结果表明,Zr1-xScxMn0.6V0.2Ni1.2Co0.1合金主要是由FCC型C15相、CsCl型结构的(ScZr)Ni相和少量的Ni10Zr7相组成,随Sc含量的增加,C15相丰度逐渐减小,(ScZr)Ni相丰度逐渐增加,当x=0.2时Ni10Zr7相基本消失;Sc元素对合金的首次气态吸氢动力学行为影响较大,随Sc含量的增加,合金吸氢动力学性能逐渐变缓,但吸氢容量逐渐提高,直至达x=1.0时的最大吸氢量1.87%;Sc元素对合金吸氢PCT曲线平衡氢压的影响规律不明显,随Sc含量增加,合金氢化物的形成焓ΔH从-26.66 kJ.mol-1逐渐减小到-8.14 kJ.mol-1。Sc元素的加入可明显改善合金电极的活化性能,提高放电容量,随Sc含量的增加,合金电极最大放电容量从x=0时的350.3 mAh.g-1增加到x=1时的429.8 mAh.g-1,呈先减小后增大的趋势,但电极容量的保持率S100随Sc含量增加而快速下降。     

(Mg(BH_4)_2)_n团簇结构与性质的密度泛函理论研究

采用了密度泛函理论中的杂化密度泛函B3LYP方法,在6-31G*基组水平上对[Mg(BH_4)_2]_n(n=1-3)团簇的结构进行了优化,几何结构优化时自旋多重度取了1、3、5等多种情况进行计算.最后对最稳定结构的振动特性、成键特性、电荷特性和稳定性等进行了研究.结论表明:团簇最稳定结构易形成链状结构,其中Mg-B键长为0.210～0.253 nm,-BH_4基中靠近Mg原子处的B-H键长约为0.125 nm、远离Mg原子处的B-H键长为0.119 nm.对比团簇和晶体的光谱结构表明,-BH_4基在团簇和晶体中结构基本一致. Mg原子的自然电荷在1.687～1.757e之间,B原子的自然电荷在-0.702～-0.788e之间,H原子基本不参与电荷转移,其自然电荷在-0.094～0.070e之间.团簇中Mg原子和-BH_4基之间相互作用呈现较强的离子性,Mg(BH_4)_2团簇具有相对较高的动力学稳定性.     

单壁碳纳米管储氢研究

摘要 利用Gaussian03程序计算出C-H键的键能是1.88eV，键长是0.113nm。已知H-H键能是4.748eV，键长是0.074nm。显然， H-H键能大于C-H键的键能，所以在常温常压下碳纳米管储氢时，以物理吸附H2分子为主，化学形式的C-H键吸附为辅。另外，利用LJ势能函数，计算了H2分子在碳纳米管中C原子所成的六边形中心正上方、C原子正上方以及相邻两C原子中间正上方时H2分子与碳纳米管之间的势能。得到无论管内、管外或者两端，都是H2分子在C原子所成的六边形中心正上方时能量最低。且在管内时H2分子距离管壁的距离是0.320nm，在管外时距离管壁的距离是0.309nm；在两端的管内时距离管壁的距离是0.324nm，在两端的管外时距离管壁的距离是0.313nm。     

Theoretical study of molecular hydrogen and spiltover hydrogen storage on two-dimensional covalent-organic frameworks

Molecular hydrogen and spiltover hydrogen storages on five two-dimensional （2D） covalent-organic frameworks （COFs） （PPy-COF, TP-COF, BTP-COF, COF-18 A, and HHTP-DPB COF） are investigated using the grand canonical Monte Carlo （GCMC） simulations and the density functional theory （DFT）, respectively. The GCMC simulated results show that HHTP-DPB COF has the best performance for hydrogen storage, followed by BTP-COF, TP-COF, COF-18 A, and PPy-COE However, their adsorption amounts at room temperature are all too low to meet the uptake target set by US Department of Energy （US-DOE） and enable practical applications. The effects of pore size, surface area, and isosteric heat of hydrogen on adsorption amount are considered, which indicate that these three factors are all the important factors for determining the H2 adsorption amount. The chemisorptions of spiltover hydrogen atoms on these five COFs represented by the cluster models are investigated using the DFT method. The saturation cluster models are constructed by considering all possible adsorption sites for these cluster models. The average binding energy of a hydrogen atom and the saturation hydrogen storage density are calculated. The large average binding energy indicates that the spillover process may pro- ceed smoothly and reversibly. The saturation hydrogen storage density is much larger than the physisorption uptake of H2 molecules at 298 K and 100 bar （1 bar = 105 Pa）, and is close to or exceeds the 2010 US-DOE target of 6 wt% for hydrogen storage. This suggests that the hydrogen storage capacities of these COFs by spillover may be significantly enhanced. Thus 2D COFs studied in this paper are suitable hydrogen storage media by spillover.