氢与甲烷混合存储的理论研究

摘要

氢燃料是一种清洁的可再生能源。在化石燃料日益减少的今天，人们希望可以用氢燃料取代化石燃料。然而，氢经济的发展有一个巨大的障碍，就是氢燃料的存储介质容量不足，即单位体积内存储的氢燃料很少。虽然一个甲烷分子的燃烧能是一个氢分子的三倍，然而由于甲烷分子之间的排斥作用比氢分子强，在同样的介质中吸附的甲烷分子比氢分子少。猜想将甲烷分子和氢分子混合吸附储存，可能比纯氢储存或纯甲烷储存的能量容量更大。因为氢分子和甲烷分子之间的排斥力适中，因此这种混合储存可以充分的利用开放的金属表面。在本文中，利用第一性原理计算作为依据，计算了两个不同存储介质，以此来验证我们的猜想。 第一个模型是用石墨烯作为衬底，以碱金属原子锂原子作为吸附原子。分别计算了锂离子吸附纯氢分子、纯甲烷分子、氢分子与甲烷分子混合吸附这三种情况。单独吸附氢分子时，存储容量为6.8wt%。将氢分子与甲烷分子混合储存后，等同于氢的存储容量为13.6wt%。从计算结果可以看出，在用碱金属作为吸附原子的体系中，将甲烷分子和氢分子混合储存可以大大提高储存体系的存储容量。 第二个模型是以石墨烯纳米带作为衬底，以3d过渡金属原子钪原子作为吸附原子。同样，分别计算了钪离子吸附纯氢分子、纯甲烷分子、氢分子与甲烷分子混合吸附这三种情况。只吸附氢分子时，存储容量为9.1wt%。将氢分子与甲烷分子混合储存后，等同于氢的存储容量为14wt%。通过这个体系，再一次验证了我们的结论：即甲烷分子和氢分子混合储存可以提高储存体系的存储容量。 这种方法可以应用于大多数具有开放的金属位点的存储介质中。相关专家学者提出了很多的储氢模型中都是具有开放的金属位点，我们的储存方法可以使这些储氢体系的储存容量在现有的基础上得到提高。为相关的研究提供了新的思路和方向。

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