B12M4(M=Li,Ti,Se)结构及储氢性能的密度泛函理论研究

摘要

氢气储量丰富，具有高的质量燃烧值且燃烧产物清洁无污染，被认为是替代化石燃料的新一代能源载体。但是氢气的存储却成为在运输行业中实际应用的“瓶颈”。作为理想的储氢材料，应该满足以下特定要求：高的储氢量(包括质量密度和体积密度)、温和条件下快速的吸/脱附动力学、合适的工作温度、可逆循环性能、材料成本低以及安全性好等。为了在温和的条件下完成充放氢气，氢气与储氢材料间的结合能应该介于物理吸附与化学吸附之间，而且氢气主要以分子形式存在。为此，人们研究和探索了很多储氢方法，包括压缩储氢、液化储氢以及利用金属或金属复合物吸附储氢。尽管这些方法在某些方面都有各自的优点，但都不足以满足氢能在交通运输方面的实际要求。
　　 本论文中，我们由早先研究的以B12为核心的B12CO12得到启发，提出利用金属掺杂的B12团簇进行储氢，其中研究的金属以碱金属Li和过渡金属Sc，Ti为主。所有异构体均使用高斯03程序，在密度泛函理论(DFT)下用B3LYP方法进行计算。使用标准劈裂共价基组6-31G(d，p)描述介入的所有原子轨道。几何优化没有对称制约。通过频率计算来确认它们是势能面的能量极小值。所有分析数据在B3LYP/6-31G(d，p)水平下得到。平均结合能定义为：
　　 Ea={E[B12X4-n H2]-E[B12X4]-n E[H2]}/n(X=Li，Ti，Sc)
　　 许多研究显示，MP2方法计算弱相互作用较好。因此，为得到准确性平均氢气结合能，在MP2下对各结构行单点计算以计算平均氢分子吸附能。计算中还考虑了基组重叠误差(BSSE)。
　　 对锂掺杂B12团簇的结构稳定性及其储氢性能系统研究结果表明，最佳掺杂方案为锂缀加在B12Li4的六元环上，在B12Li4团簇中，金属原子都倾向于束缚到B原子周围，而不是形成金属簇。每个锂原子至少可以吸附3个氢分子，物理吸附储氢量达到13.32wt％，平均氢分子吸附能在0.033-0.089eV之间。自然电荷布局分析(NBO)显示B12Li4中平均锂原子所带电荷为0.727|e|，且在吸附氢气过程中，极化诱导作用最为关键。
　　 采用密度泛函理论对Ti掺杂B12团簇的结构稳定性及其储氢性能进行了理论计算，讨论了掺杂团簇的结构以及电荷转移。结果表明，我们研究的最稳定结构和次稳定结构均可避免金属团聚问题。其中D2d对称性的最稳定结构至多吸附8个H2分子，平均结合能为0.521 eV。具有Td对称性的次稳定结构中强的M-B键将金属固定在六元环上，可以通过Kubas作用吸附16H2，平均吸附能为0.434 eV/H2，相应质量分数为9.125wr％。当每个Ti吸附3个H2时，平均吸附能为0.310 eV/H2，可使H2在常温常压下容易吸附和脱附，相应质量分数为6.952wt％。
　　 对Sc掺杂B12团簇的结构稳定性及其储氢性能进行了理论计算，结果表明，B12Sc4可吸附12个H2分子，平均结合能为0.108 eV，非常有趣的是在提出的最稳定的B12Ti4和B12Sc4中，每个B3可以把视为一个具有s-，p-和d-轨道的超原子。B12Sc4中Sc主要是通过诱导作用吸附H2分子。