固態(tài)儲氫材料新進展！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，減緩氣候變化進程，為可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻。
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)當能夠儲存至少6.5 wt%的氫氣，以滿足氫燃料電池車續(xù)航500英里(約805公里)的目標。為了實現(xiàn)這一目標，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7.7wt%。
該研究團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7.7 wt%，超過了美國能源部提出的6.5 wt%目標。根據(jù)6.5 wt%的儲氫密度可以使氫燃料電池車續(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，遠低于擴散能壘值。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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