石墨烯基納米材料儲氫性能的理論研究.pdf

1、充分利用氫能使用的分散性和不連續(xù)的特點，解決氫的儲存問題，儲氫材料是可供選擇的最佳方案，而且用于儲氫的材料必須具備成本低廉、安全性高、效率高、氫的再利用穩(wěn)定性高等優(yōu)點。新型納米材料的出現(xiàn)為儲氫材料的研究提供了新的研究方向和思路。本論文利用基于第一性原理的密度泛函理論計算方法，研究了石墨烯基納米材料的儲氫性能及吸附機理，主要內(nèi)容包括以下幾部分：
　　 (1)石墨烯因其具有較大的表面積和獨特的孔隙結(jié)構(gòu)而被認(rèn)為是一種非常重要的儲氫材料

2、。石墨烯的大規(guī)模制備使得其作為儲氫材料成為可能。Li摻雜石墨烯的結(jié)合能小于晶體的內(nèi)聚能，Li會在石墨烯表明形成團簇，會降低基底材料的儲氫量。我們發(fā)現(xiàn)氟摻雜石墨烯形成氟化石墨烯與Li相互作用后的強度增大，從而抑制了金屬團簇結(jié)構(gòu)的形成。另外，氟摻雜石墨烯后，石墨烯的π軌道在費米能級以下會產(chǎn)生很強的擴散，且被展寬。因此石墨烯中C-C間作用力會減弱，會和吸附的氟原子形成共價鍵。由此具有sp2雜化的C-C轉(zhuǎn)化為sp3雜化，導(dǎo)致石墨烯結(jié)構(gòu)的變形。摻

3、雜鋰后，碳的sp3和較多的sp2軌道雜化修正了變形的氟化石墨烯結(jié)構(gòu)。鋰摻雜在氟化石墨烯的一側(cè)和兩側(cè)，可達(dá)到的儲氫質(zhì)量密度分別為9和16.2wt％。由于氟的電負(fù)性比鋰大，因此鋰會同時向氟和石墨烯轉(zhuǎn)移電荷，從而產(chǎn)生較強的電場，使H2在Li附近發(fā)生極化。鋰和石墨烯的雜化作用也有利于H2的吸附。我們的結(jié)果證明了通過引入摻雜原子可以調(diào)控金屬與基底材料的結(jié)合，從而為尋找可逆的儲氫材料提供了理論依據(jù)。
　　 (2)與單層石墨烯相比，多層石墨烯

4、還有層間范德瓦爾斯相互作用，這使得對電子特性的調(diào)制多了一條途徑?，F(xiàn)有的實驗條件已能調(diào)控石墨烯片層數(shù)目及層間距。由于BN與C2的等電子性，碳基納米材料罩的C被B和N取代后形成新型的類似于石墨烯的硼氮基納米材料。由于B-N之間的離子鍵作用，使其構(gòu)成的材料作為儲氫材料與碳基材料相比表現(xiàn)出極大的不同。我們研究了通過改變雙層固態(tài)納米材料(硼化氮(BBN)以及石墨烯/硼化氮雙層結(jié)構(gòu)(GBN))的層間距，研究對儲氫性能的影響。研究結(jié)果表明：通過調(diào)整雙

5、層結(jié)構(gòu)的層間距，由于BN間極化作用產(chǎn)生的靜電作用的影響，H2產(chǎn)生了更多的結(jié)合態(tài)。當(dāng)層間距增大到一定數(shù)值時，氫的吸附能會出現(xiàn)一個極低點，并伴有層間距的進一步擴展。以此時氫的結(jié)合作為初態(tài)，進一步計算了硼化氮以及石墨烯/硼化氮雙層結(jié)構(gòu)的儲氫能力，發(fā)現(xiàn)石墨烯/硼化氮雙層結(jié)構(gòu)的Bernal層問堆疊方式更優(yōu)于儲氫，其儲氫能力達(dá)到7.69wt％，氫的平均結(jié)合能為-0.20eV/H2。同時用DMOL3-NVT和CASTEP-NPT兩種分子動力學(xué)方法測試