B12C6N6团簇及其担载碱金属的储氢性能研究

摘要

寻找可再生环境友好型绿色能源已经迫在眉睫，氢能以其资源丰富、无污染和热值高等优点被广泛关注，被认为是最有潜质的化石燃料替代者之一。实现氢能的大规模应用，必须解决的关键问题之一是氢的安全高效储运。与高压气态储氢和低温液态储氢相比固体储氢材料在其储氢密度、储存效率与安全方面更有优越性。人们对许多固体材料的储氢性能做了大量研究，但是目前还没有发现一种固体储氢材料能够完全满足实际使用的要求，因为它不仅需要有高的存储密度和良好的动力学性能而且还要能够长期循环使用。因此，寻找性能优良的固体储氢材料是解决氢储存问题的关键。纳米材料具有表面积大，电子结构独特等优点，它们的储氢性能被广泛的研究。最近我们研究了非化学计量比的B12C6N6笼的稳定性和电子结构，它的稳定性与纯碳和氮化硼笼相当，但它是一个特殊的缺电子体系。在本文中，我们研究了H2分子在B12C6N6团簇上的吸附与解离以及Li担载的B12C6N6团簇的储氢性能。结果表明：H2分子在B12C6N6笼的表面是弱的物理吸附，吸附能约为0.03 eV。而H2分子在解离过程与团簇发生强的轨道相互作用，因此可以很容易地发生解离。我们首先确定了稳定的解离产物，用反应路径跟踪详细的研究了从不同分子吸附结构开始的解离过程。给出了四个解离能垒最低的路径，最低解离能垒为0.35 eV，这就意味着解离可以在常温下进行。对于Li担载的B12C6N6团簇，我们研究了其几何结构、电子结构以及储氢性能。Li原子与团簇有很强的相互作用，可分散吸附在团簇表面上，最稳定的结合位为富碳的B3C3、B3C2N和B2C2环。B12C6N6团簇中C的2p轨道是部分占据的，Li原子担载之后转移它的价电子到这些空轨道上，形成了很强的结合，结合能为2.90 eV，远大于块体Li的内聚能1.63 eV，因此防止了Li原子的聚集。失去电子后Li原子带正电荷，吸附的H2分子在Li+离子的电场作用下被有效极化。计算表明，每个Li+可以吸附2-3个H2分子，吸附能在0.21-0.24 eV/H2之间。B12C6N6Li8可以吸附16个H2分子，存储密度达到8.63 wt％。本文的研究结果表明，在缺电子富勒烯上担载碱金属原子，可以成为常温下有良好性能的储氢材料。

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西北师范大学研究生学位论文作者信息

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第一章 绪论

1.1氢能源的优越性

1.2氢的储运

1.3固体储氢材料

1.4本文主要研究内容

参考文献

第二章 理论计算方法

2.1分子轨道理论

2.2 密度泛函理论

2.3 过渡态理论

2.4 基组

2.5 基组重叠误差

参考文献

第三章 H2分子在B12C6N6团簇上的吸附与解离

3.1引言

3.2 计算方法

3.3 结果和讨论

3.4 结论

参考文献

第四章Li担载的B12C6N6团簇的储氢性能研究

4.1引言

4.2 计算方法

4.3 结果与讨论

4.4结论

参考文献

第五章 总结与展望

附录

致谢