掺杂BN/AlN纳米结构储氢性能的理论研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
11164024
项目类别：
地区科学基金项目
资助金额：
55.0万
负责人：
陈宏善
依托单位：
西北师范大学
学科分类：
A2104.团簇物理
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
宋燕；尹跃洪；张彦；王乐；贾英英；马占林；李文杰；赵婷；
关键词：
纳米结构掺杂量子化学计算储氢性能 BN/AlN

项目摘要

氢的储运技术是制约氢能利用的关键因素，研究和开发储存密度高、具有优良热力学和循环动力学性能的固体储氢材料是解决氢的高效安全储运的基本途径。本项目将在分子轨道水平深入研究基于BN、AlN的纳米团簇和纳米管的储氢性能；通过原子替代形成BCxN、AlCxN和B1-xAlxN体系，并以贵金属、过渡金属、碱金属或碱土金属通过替代和担载方式掺杂形成具有不同电子结构的体系，对其原子的轨道杂化和成键方式、电荷转移和分布情况、体系的分子轨道组成、态密度进行分析；对他们与H2分子的相互作用方式及决定吸附强度的因素进行深入研究。鉴于H2分子很小不易被极化，本研究提出要提高吸附强度，H2分子必须以适当程度参与主体的分子轨道以形成介于物理吸附和化学吸附之间的结合方式，并提出设计具有未配对电子和部分占据轨道的纳米结构以实现H2与主体的分子轨道有效重叠。本研究将为寻找在室温条件下具有良好储氢性能的材料提供理论依据。

结项摘要

研究和开发高储存密度和适当吸附强度的固体储氢材料是氢能利用的关键。本项目在分子轨道水平研究了基于B/AlN体系和Al团簇的纳米结构的储氢性能。主要内容包括设计具有不同电子结构的体系以及氢分子的吸附和解离过程研究。. 研究了Bn-xAlxNn的稳定结构，在掺杂体系中Al形成+2价离子，混合团簇有很大的偶极矩，有利于增强与H2的作用。得到了稳定的缺电子BCN富勒烯，部分C原子的2p轨道未被占据。在B12C6N6上Li吸附在富C的位置形成+1价的离子，有利于H2分子的吸附。首次预言了稳定的富电子SiN笼状结构，富余的电子以孤对电子处在Si2N2四元环中一个凸出的Si原子上。研究了C/Si掺杂的Al团簇结构，C/Si可提高Al团簇的稳定性；C原子容易集聚在团簇中心，但Si分散在团簇中。确定了AlnMgm的低能结构，AlMg团簇中Mg在表面Al在中心形成核壳结构，整体电子结构表现出典型的电子壳层。. 计算表明无论在B/AlN或BCN体系上，H2分子的吸附都比较弱。在研究的多个体系中，H2在Bn-xAlxNn上的物理吸附最强，采用包含van der Waals相互作用的DFT-D2方法计算，H2在Al、B和N上的吸附能分别为0.11-0.18eV, 0.05eV和0.04-0.06eV。研究了Li和Ca修饰的BCN团簇的储氢性能，表明金属原子不会发生聚集；特别是金属原子向缺电子体系转移电子形成较强正电离子，H2分子在金属离子上能形成强的吸附态。例如Li修饰的B12C6N6，每个+1价Li离子能吸附2-3个H2分子，平均吸附能达到0.22eV，B12C6N6Li8吸附16个H2分子的储氢密度达到8.63%。掺杂24个Li的B36N24能吸附48个H2，储氢密度可达9.72%。C48B12的电子亲和能为2.95eV，担载Ca原子后其正电荷约1.5e，每个Ca能吸附3个H2。实验表明Aln-能够对H2形成不同强度的物理或化学吸附，我们用高精度计算方法得到与实验观测一致的结果。研究了H2在C掺杂Al团簇上的解离过程，表明H2分子的解离能垒仅为0.30eV。还研究了H2在B12C6N6团簇上的解离，由于笼上的C配位不饱和且C和H的轨道具有很好的匹配性，H2分子能以不同方式解离，能垒仅为0.34eV。