金属掺杂硼纳米材料的储氢性能研究

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氢能源是一种具有清洁、高效、安全、可持续优点的新能源,被视为21世纪最具发展潜力的新能源,也是一种被认为最有可能代替化石燃料的新能源。然而,氢能的储存对我们来说却是一个大难题。一般说来,氢能的储存主要是在高压和低温的条件下,通过气态压缩与液化和一些金属材料的吸附来进行储存。但是这些储存方式不仅耗能大,而且还存在着许多安全隐患。为了克服这些困难与挑战,尤其是寻找一种在室温下能够对氢气进行高密度储存的材料,新型储氢材料的研发将成为大势所趋。理想的储氢材料不仅需要主体材料较轻,而且还要能够在室温条件下进行储氢。储氢材料进行高密度可逆储氢需要具有理想的吸附能19.3-38.6kJ/mo(l0.2-0.4eV)。在最近的理论研究中,Zhao等提出了一种低能量的以ScB3为结构单元的单壁纳米管,在这种纳米管中,每个Sc原子都是内嵌在纳米管内,每个B原子都与周围的五个原子结合。他们计算得出,Sc原子内嵌型的ScB3纳米管要比Sc原子外覆型的ScB3纳米管低77.2kJ/mol(0.8eV)每ScB3单元。每个B原子吸附一个氢原子,每个Sc原子吸附一个氢分子,储氢量达到6.1wt%,吸附能为22-26kJ/mol。我们对(ScB3)n(n=2-7)系列纳米管进行了计算,而我们的结果显示,虽然某些特定的B原子可以吸附一个氢原子,但是结合能太大,所以B原子上并不适合进行储氢,而每个Sc原子通过Kubas作用至少可以吸附两个氢分子,吸附能为13.8-25.7kJ/mol,储氢量可达到5.0wt%,最大储氢量可达到6.6wt%。此外,我们还提出了一种B180的稳定结构,并对其进行金属掺杂,最终达到了B180Ca12的稳定结构,经过我们的研究发现,B180Ca12也具有一定的储氢性能。依据我们的研究结果,我们认为(ScB3)n、B180Ca12都可以作为设计储氢材料的基本单元,以实现能够在温和条件下可逆地吸放氢。本研究成果对储氢材料的设计和实验探索具有一定的指导意义。
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