固態儲氫材料新進展！為儲氫材料提供了一種新的可選方案
【化工儀器網 項目成果】化石能源是指由古代生物經過長時間的地質作用形成的固體、液體或氣體的有機物，如煤、石油和天然氣等。它們是目前人類最主要的能源來源，因為它們可以被燃燒產生大量的熱能，從而驅動發電機、汽車、飛機等各種機械設備。
然而，化石能源的儲量有限，并且對環境的污染破壞使得社會發展不可持續。為了解決化石能源帶來的能源危機和環境危害，人類需要尋找更清潔、更可持續的替代能源，如太陽能、風能、水能、核能等。
在此其中，氫能因其豐富的儲量、環境友好的特性、高能量密度以及其產生的唯一產物——水，而備受矚目。推廣氫能源的使用可以有效減少溫室氣體的排放，減緩氣候變化進程，為可持續發展做出重要貢獻。
雖然氫氣生產的途徑多種多樣，但是氫氣的儲存仍然是一個極大的挑戰。傳統的高壓氫氣儲存方法要求持續維持高壓，由此帶來的潛在風險不容忽視。另一方面，液態儲氫雖然是一種可行的方法，但其實現所需的能源投入較大，且效率相對較低。因此，固態氫氣儲存被認為是一種理想的解決方案。固態儲存能夠在不改變材料結構的前提下，吸收和釋放大量的氫氣。
為了尋找一種儲氫性能出色且能在吻合條件下釋放氫氣的固態儲氫材料，美國能源部提出了關于固態氫氣儲存的指導方針。根據這些方針，一個有效的固態儲氫裝置應當能夠儲存至少6.5 wt%的氫氣，以滿足氫燃料電池車續航500英里(約805公里)的目標。為了實現這一目標，研究人員們正在不遺余力地探索各種可能的固態儲氫材料，以在儲存和釋放氫氣時均能表現出優異的性能。
近日，中國科學院力學所的彭慶研究員與廣西大學的歐陽義芳教授領導的團隊，通過第一性原理計算，成功開發出一種具有廣闊前景的二維固態儲氫材料體系Ti-decorated Irida-Graphene(鈦修飾的鳶尾花型石墨烯，簡稱TIG)。Irida-Graphene(鳶尾花型石墨烯，簡稱IG)是一種新型的類石墨烯材料，由三原子、六原子和八原子的碳環組成。研究團隊發現，通過在IG上引入修飾性的鈦(Ti)原子，其儲氫性能可以高達7.7wt%。
該研究團隊對鈦原子在鳶尾花型石墨烯不同吸附位點的吸附能力進行了計算研究，發現鳶尾花型石墨烯的六原子上方的中空位(Hollow)是最穩定的吸附位點。隨后，通過在體系中逐個加入氫分子(H2)，計算了連續吸氫能力，結果顯示每個鈦原子周圍可吸附5個氫分子。
當鈦原子填滿鳶尾花型石墨烯的所有六原子環中心環位時，其可儲存的氫氣高達7.7 wt%，超過了美國能源部提出的6.5 wt%目標。根據6.5 wt%的儲氫密度可以使氫燃料電池車續航500英里估計，7.7 wt%儲氫密度的續航約為590英里(950公里) 。
研究團隊通過CI-NEB方法探究了修飾的鈦原子的遷移能力，發現鈦原子的擴散遷移能壘為5.0 eV。在平均解吸溫度524 K下，鈦原子的熱能為0.68 eV，遠低于擴散能壘值。由于結構構型的穩定性以及高能壘值在反應溫度下的限制，鈦原子的遷移受到限制。這意味著在吸氫和放氫過程中，鈦原子不會發生遷移，從而避免了金屬團聚引發的儲氫結構破壞，證明了該體系作為可行的儲氫介質。
除此之外，研究團隊還借助第一性原理分子動力學模擬確定了該材料在室溫300 K和高溫600 K下的熱力學穩定性。所有這些理論預測結果為開發新型高效的儲氫材料提供了一種新的可選方案。該研究成果以“Stable and 7.7 wt% hydrogen storage capacity of Ti decorated Irida-Graphene from first-principles calculations”為題發表于International Journal of Hydrogen Energy期刊上。
(資料來源：中國科學院力學研究所)
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