【摘 要】
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氢能是21世纪最具发展前景的二次能源,其开发利用得到了世界范围内的高度关注。然而,氢能技术面临氢的规模制备、储存和运输等主要挑战,其关键是能否开发具有足够容量的储氢材料。目前储氢材料主要包括金属氢化物、碳基纳米材料、有机液体氢化物等,但都存在储量小、能耗高、安全性能差等缺点。近年来,气体水合物作为一种理想的储氢材料引起了广泛的研究。气体水合物是水与小分子气体形成的非化学计量性笼状晶体物质,又称笼型
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氢能是21世纪最具发展前景的二次能源,其开发利用得到了世界范围内的高度关注。然而,氢能技术面临氢的规模制备、储存和运输等主要挑战,其关键是能否开发具有足够容量的储氢材料。目前储氢材料主要包括金属氢化物、碳基纳米材料、有机液体氢化物等,但都存在储量小、能耗高、安全性能差等缺点。近年来,气体水合物作为一种理想的储氢材料引起了广泛的研究。气体水合物是水与小分子气体形成的非化学计量性笼状晶体物质,又称笼型水合物。水合物晶体是一个高效的分子水平的气体储存器,每立方米水合物可以储存160-180 m~3气体。本论文采用密度泛函理论计算和从头算分子动力学模拟相结合的方法考察了二维氢气水合物的基础水笼子结构、稳定性及其诸多影响因素。首先,研究了二维氢气水合物的基本水笼子结构:4~6、5~24~5、6~24~6、7~24~7、8~24~8。结果表明,4~6和5~24~5不能容纳氢气分子,归因于其笼子内部空间不足以包裹氢气分子;6~24~6·H2具有最高的稳定性,这也从侧面反映了自然界中冰和雪结晶物都是六边形;8~24~8由于其内部空间较大,可包裹四个氢气分子。其次,研究了疏水性夹缝（选用双层石墨烯）层间距对基本水笼子结构稳定性的影响。计算结果表明,当层间距设置为9.0?时,单氢气分子占据的基本水笼子稳定性最高。最后,我们预测设计了四种氢气水合物晶体结构:BLHH-I、BLHH-II、BLHH-III和BLHH-IV。BLHH-I由6~24~6·H2构成,其储氢量（2.703 wt%）是四种晶体结构中最大的,通过调研发现,其储氢能力比使用四氢呋喃（一种促进剂）的s II型氢气水合物更好,从受力角度分析,BLHH-I表现出了最好的抗剪切力和拉伸力的作用。动力学模拟研究表明了温度对BLHH晶体结构稳定性的影响,结果显示低温时四种BLHH晶体结构比较稳定,温度较高时体系的内能升高,分子较为活跃晶体结构的稳定性能较差,会出现氢气分子从水笼子内逃逸的现象。除此之外,研究表明受限空间内的晶体结构相较于自由空间时更为稳定,在不同温度下均未出现氢气分子逃逸的现象,从计算结合能得到的结果分析,受限空间内的BLHH稳定性优于氢气水合物领域认可度较高的s II型氢气水合物。
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