固態(tài)儲氫材料新進(jìn)展！為儲氫材料提供了一種新的可選方案
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】化石能源是指由古代生物經(jīng)過長時間的地質(zhì)作用形成的固體、液體或氣體的有機物，如煤、石油和天然氣等。它們是目前人類最主要的能源來源，因為它們可以被燃燒產(chǎn)生大量的熱能，從而驅(qū)動發(fā)電機、汽車、飛機等各種機械設(shè)備。
然而，化石能源的儲量有限，并且對環(huán)境的污染破壞使得社會發(fā)展不可持續(xù)。為了解決化石能源帶來的能源危機和環(huán)境危害，人類需要尋找更清潔、更可持續(xù)的替代能源，如太陽能、風(fēng)能、水能、核能等。
在此其中，氫能因其豐富的儲量、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，但是氫氣的儲存仍然是一個極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的高壓氫氣儲存方法要求持續(xù)維持高壓，由此帶來的潛在風(fēng)險不容忽視。另一方面，液態(tài)儲氫雖然是一種可行的方法，但其實現(xiàn)所需的能源投入較大，且效率相對較低。因此，固態(tài)氫氣儲存被認(rèn)為是一種理想的解決方案。固態(tài)儲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。
為了尋找一種儲氫性能出色且能在吻合條件下釋放氫氣的固態(tài)儲氫材料，美國能源部提出了關(guān)于固態(tài)氫氣儲存的指導(dǎo)方針。根據(jù)這些方針，一個有效的固態(tài)儲氫裝置應(yīng)當(dāng)能夠儲存至少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)儲氫材料，以在儲存和釋放氫氣時均能表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
近日，中國科學(xué)院力學(xué)所的彭慶研究員與廣西大學(xué)的歐陽義芳教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，通過第一性原理計算，成功開發(fā)出一種具有廣闊前景的二維固態(tài)儲氫材料體系Ti-decorated Irida-Graphene(鈦修飾的鳶尾花型石墨烯，簡稱TIG)。Irida-Graphene(鳶尾花型石墨烯，簡稱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)隊發(fā)現(xiàn)，通過在IG上引入修飾性的鈦(Ti)原子，其儲氫性能可以高達(dá)7.7wt%。
該研究團(tuán)隊對鈦原子在鳶尾花型石墨烯不同吸附位點的吸附能力進(jìn)行了計算研究，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。隨后，通過在體系中逐個加入氫分子(H2)，計算了連續(xù)吸氫能力，結(jié)果顯示每個鈦原子周圍可吸附5個氫分子。
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，其可儲存的氫氣高達(dá)7.7 wt%，超過了美國能源部提出的6.5 wt%目標(biāo)。根據(jù)6.5 wt%的儲氫密度可以使氫燃料電池車?yán)m(xù)航500英里估計，7.7 wt%儲氫密度的續(xù)航約為590英里(950公里) 。
研究團(tuán)隊通過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程中，鈦原子不會發(fā)生遷移，從而避免了金屬團(tuán)聚引發(fā)的儲氫結(jié)構(gòu)破壞，證明了該體系作為可行的儲氫介質(zhì)。
除此之外，研究團(tuán)隊還借助第一性原理分子動力學(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)測結(jié)果為開發(fā)新型高效的儲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。
(資料來源：中國科學(xué)院力學(xué)研究所)
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