Na+修飾團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)及其儲氫性能

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(井岡山大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，江西 吉安 343009)

1 引 言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展面臨著環(huán)境污染和能源緊缺的雙重壓力，全球可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)迫切需要尋找既可再生、又對環(huán)境無污染的新型能源。氫具有來源廣、無污染且能量轉(zhuǎn)換率高等優(yōu)點(diǎn)，是未來世界能源的核心之一，在新能源汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。但利用氫能源需解決好三個主要問題，即氫的制備、儲存以及運(yùn)輸，其中最關(guān)鍵的問題是氫的儲存[2]。目前最常用的儲存方式為高壓壓縮氣體和低溫液化儲氫，這在運(yùn)輸和使用過程中存在著一定的安全隱患，且能耗和成本較高，無法滿足氫能規(guī)模化利用，解決氫能儲存的關(guān)鍵是開發(fā)合適的儲氫材料。

儲氫材料[3]包括金屬氫化物、配位氫化物、無機(jī)氫化物、有機(jī)材料、金屬有機(jī)骨架化合物等。其中部分儲氫材料如碳、硼、硅納米管等[4]儲氫時，氫分子通過范德瓦爾斯力吸附在材料表面，由于吸附強(qiáng)度很弱(物理吸附)，很難在室溫條件下應(yīng)用；而另一部分儲氫材料如鎂基儲氫合金和鎂基儲氫復(fù)合材料[5]、硼氫化鋰(LiBH4)及配位金屬氫化物等，使氫解離成氫原子，通過化學(xué)鍵緊緊束縛在材料上(化學(xué)吸附)，必須在高溫條件下才能脫氫。理想儲氫不僅要有比較高的儲氫密度，而且還應(yīng)具備在常溫常壓下良好的吸放氫行為和循環(huán)穩(wěn)定性等?？梢?，以上情況儲氫都不理想，理想儲氫應(yīng)該是材料與氫分子之間的相互作用應(yīng)介于物理吸附與化學(xué)吸附之間，既能保證具有較高的儲氫能力，又在常溫常壓下有良好的吸放氫行為[6]。

為了尋找理想的儲氫材料，人們對各類儲氫材料進(jìn)行了廣泛研究。研究發(fā)現(xiàn)在納米材料表面采用金屬原子來修飾，可以較大地提高材料的儲氫效率。如純粹納米管與氫分子的結(jié)合太弱不能有效儲氫[7]。而Sc修飾硼富勒烯[8]儲氫密度達(dá)到8.77wt%；Ti修飾碳納米管[9]儲氫密度可達(dá)7.69wt%，均較大地提高了材料的儲氫密度。研究也發(fā)現(xiàn)，多個金屬原子在納米材料表面可能發(fā)生聚合，這不利于儲氫循環(huán)利用[10]。由于堿金屬原子間的內(nèi)聚力較小，人們采用堿金屬原子修飾納米材料，可減少材料表面的聚合，提高儲氫性能，同時可使儲氫密度增大[11-15]。

2 計算方法

(1)

圖團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Fig.1 Stable structure of cluster

圖2 Na7Si5+團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Fig.2 Stable structure of cluster

(2)

3 結(jié)果與分析

3.1 鈉離子修飾團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)特征分析

3.2 氫分子在表面吸附的結(jié)構(gòu)特征

3.3 儲氫機(jī)理分析

圖團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Fig.3 Stable structures of clusters

dNa-Si/?dH-H/?dH2-Na/?Ead/kcal·mol-1Q(H2)/a.u.Q(Na)/a.u.Q(Si)/a.u.Na7Si+52.9140.793-0.910Na7Si+5·7H22.9160.7442.6670.7350.0080.866-1.024Na7Si+5·14H22.9210.7432.7210.4440.0030.859-1.021Na7Si+5·21H22.9210.7432.8480.3180.0030.861-1.022Na7Si+5·28H22.9230.7442.9490.1770.0020.860-1.023

4 結(jié) 論