Sc修饰多孔石墨烯储氢性能的第一性原理研究

摘要

碳纳米材料由于具有比表面积大、吸附动力学性能良好和可逆储氢等特点而广泛应用于固态储氢。多孔石墨稀是在实验上得以成功制备的少数二维碳材料之一，其表面有很多均匀分布的纳米孔，具有更高的比表面积，从而保证了高效的储氢。Sc是相对原子质量最轻的过渡金属原子，Sc原子修饰多孔石墨烯可能存在更大的储氢量。但是国内外关于 Sc 原子修饰多孔石墨烯的研究甚少，其吸附机理以及储氢量尚不明晰。本文运用密度泛函理论的广义梯度近似，对过渡金属元素 Sc 修饰多孔石墨烯(PG)的几何结构、吸附机理和储氢性能进行研究。 通过对Sc修饰多孔石墨烯体系储氢性能的研究发现：单个Sc原子最稳定的吸附位置是碳环中心，周围最多可吸附4个H2分子，平均吸附能为-0.429 eV/H2。通过在体系的另一侧添加第二个Sc原子，可以有效提高体系的储氢能力。两个Sc原子位于多孔石墨烯异侧相邻碳环中心孔位时，储氢量可达9.09 wt.%，平均吸附能为-0.296eV/H2，这是Sc-PG体系最适合储氢的结构。H2分子在Sc修饰PG体系的吸附主要是H，Sc，C原子之间的轨道相互作用和发生电荷转移后带负电的H2分子与带正电的Sc原子间的库仑吸引作用。 研究Sc原子修饰B掺杂多孔石墨烯体系的储氢性能发现，单个Sc原子修饰B-PG的最稳定吸附位置为掺杂后的B-C六元环中心，吸附能为-4.004 eV，其周围最多可吸附5个H2分子，平均吸附能为-0.515 eV/H2。通过对体系的态密度图和电荷布居分析得到：H2分子在Sc-B/PG体系的吸附主要是H与Sc原子间的轨道相互作用，H2分子受到Sc原子以及B-PG之间的静电场影响而发生极化后，带负电的H2分子与带正电的Sc原子间的库仑吸引作用。Sc-B/PG体系储氢量最大的结构是两个Sc原子位于PG异侧的B-C六元环中心孔位，最多可吸附12个H2分子，储氢量为9.13 wt.%，平均吸附能为-0.225 eV/H2。B原子掺杂可以提高Sc原子和H2分子在体系上的吸附能，有效防止Sc原子的团聚、提高储氢性能，过渡金属Sc修饰的B原子掺杂多孔石墨烯体系可能成为最具发展前景的储氢材料之一。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1研究意义及研究现状

1.1.1氢气的存储方式

1.1.2 纳米多孔材料储氢

1.2 研究内容

第 2 章 密度泛函理论简介

2.1 从头算法

2.2 密度泛函理论

2.2.1 Thomas-Fermi-Dirac模型

2.2.2 Hohenberg-kohn定理

2.2.3 Kohn-Sham方程

2.2.4 交换关联泛函

2.3 计算参数与模型

第 3 章 Sc修饰PG的储氢性能

3.1单个Sc原子修饰PG体系

3.1.1单个Sc原子修饰PG的吸附结构

3.1.2 H2在单个Sc原子修饰PG上的吸附

3.2 两个Sc原子修饰PG体系

3.2.1两个Sc原子修饰PG的吸附结构

3.2.2两个Sc原子修饰PG体系的储氢量

3.3 本章小结

第 4 章 Sc修饰B掺杂PG的储氢性能

4.1单个B原子掺杂稳定位置

4.2单个Sc原子修饰B-PG体系

4.2.1单个Sc原子修饰B-PG的吸附结构

4.2.2 H2在单个Sc原子修饰B-PG上的吸附

4.3 两个Sc原子修饰B-PG体系

4.3.1两个Sc原子修饰B-PG的吸附结构

4.3.2两个Sc原子修饰B-PG体系的储氢量

4.4 本章小结

总结与展望

本文总结

研究展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间所发表的学术论文