固態(tài)儲(chǔ)氫材料新進(jìn)展！為儲(chǔ)氫材料提供了一種新的可選方案
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】化石能源是指由古代生物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的地質(zhì)作用形成的固體、液體或氣體的有機(jī)物，如煤、石油和天然氣等。它們是目前人類最主要的能源來(lái)源，因?yàn)樗鼈兛梢员蝗紵a(chǎn)生大量的熱能，從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、汽車、飛機(jī)等各種機(jī)械設(shè)備。
然而，化石能源的儲(chǔ)量有限，并且對(duì)環(huán)境的污染破壞使得社會(huì)發(fā)展不可持續(xù)。為了解決化石能源帶來(lái)的能源危機(jī)和環(huán)境危害，人類需要尋找更清潔、更可持續(xù)的替代能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、核能等。
在此其中，氫能因其豐富的儲(chǔ)量、環(huán)境友好的特性、高能量密度以及其產(chǎn)生的唯一產(chǎn)物——水，而備受矚目。推廣氫能源的使用可以有效減少溫室氣體的排放，減緩氣候變化進(jìn)程，為可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。
雖然氫氣生產(chǎn)的途徑多種多樣，但是氫氣的儲(chǔ)存仍然是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的高壓氫氣儲(chǔ)存方法要求持續(xù)維持高壓，由此帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。另一方面，液態(tài)儲(chǔ)氫雖然是一種可行的方法，但其實(shí)現(xiàn)所需的能源投入較大，且效率相對(duì)較低。因此，固態(tài)氫氣儲(chǔ)存被認(rèn)為是一種理想的解決方案。固態(tài)儲(chǔ)存能夠在不改變材料結(jié)構(gòu)的前提下，吸收和釋放大量的氫氣。
為了尋找一種儲(chǔ)氫性能出色且能在吻合條件下釋放氫氣的固態(tài)儲(chǔ)氫材料，美國(guó)能源部提出了關(guān)于固態(tài)氫氣儲(chǔ)存的指導(dǎo)方針。根據(jù)這些方針，一個(gè)有效的固態(tài)儲(chǔ)氫裝置應(yīng)當(dāng)能夠儲(chǔ)存至少6.5 wt%的氫氣，以滿足氫燃料電池車?yán)m(xù)航500英里(約805公里)的目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員們正在不遺余力地探索各種可能的固態(tài)儲(chǔ)氫材料，以在儲(chǔ)存和釋放氫氣時(shí)均能表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
近日，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所的彭慶研究員與廣西大學(xué)的歐陽(yáng)義芳教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，通過(guò)第一性原理計(jì)算，成功開(kāi)發(fā)出一種具有廣闊前景的二維固態(tài)儲(chǔ)氫材料體系Ti-decorated Irida-Graphene(鈦修飾的鳶尾花型石墨烯，簡(jiǎn)稱TIG)。Irida-Graphene(鳶尾花型石墨烯，簡(jiǎn)稱IG)是一種新型的類石墨烯材料，由三原子、六原子和八原子的碳環(huán)組成。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在IG上引入修飾性的鈦(Ti)原子，其儲(chǔ)氫性能可以高達(dá)7.7wt%。
該研究團(tuán)隊(duì)對(duì)鈦原子在鳶尾花型石墨烯不同吸附位點(diǎn)的吸附能力進(jìn)行了計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)鳶尾花型石墨烯的六原子上方的中空位(Hollow)是最穩(wěn)定的吸附位點(diǎn)。隨后，通過(guò)在體系中逐個(gè)加入氫分子(H2)，計(jì)算了連續(xù)吸氫能力，結(jié)果顯示每個(gè)鈦原子周圍可吸附5個(gè)氫分子。
當(dāng)鈦原子填滿鳶尾花型石墨烯的所有六原子環(huán)中心環(huán)位時(shí)，其可儲(chǔ)存的氫氣高達(dá)7.7 wt%，超過(guò)了美國(guó)能源部提出的6.5 wt%目標(biāo)。根據(jù)6.5 wt%的儲(chǔ)氫密度可以使氫燃料電池車?yán)m(xù)航500英里估計(jì)，7.7 wt%儲(chǔ)氫密度的續(xù)航約為590英里(950公里) 。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)CI-NEB方法探究了修飾的鈦原子的遷移能力，發(fā)現(xiàn)鈦原子的擴(kuò)散遷移能壘為5.0 eV。在平均解吸溫度524 K下，鈦原子的熱能為0.68 eV，遠(yuǎn)低于擴(kuò)散能壘值。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)型的穩(wěn)定性以及高能壘值在反應(yīng)溫度下的限制，鈦原子的遷移受到限制。這意味著在吸氫和放氫過(guò)程中，鈦原子不會(huì)發(fā)生遷移，從而避免了金屬團(tuán)聚引發(fā)的儲(chǔ)氫結(jié)構(gòu)破壞，證明了該體系作為可行的儲(chǔ)氫介質(zhì)。
除此之外，研究團(tuán)隊(duì)還借助第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬確定了該材料在室溫300 K和高溫600 K下的熱力學(xué)穩(wěn)定性。所有這些理論預(yù)測(cè)結(jié)果為開(kāi)發(fā)新型高效的儲(chǔ)氫材料提供了一種新的可選方案。該研究成果以“Stable and 7.7 wt% hydrogen storage capacity of Ti decorated Irida-Graphene from first-principles calculations”為題發(fā)表于International Journal of Hydrogen Energy期刊上。
(資料來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所)
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