碱金属掺杂硼团簇储氢性能的理论研究
本文关键词：碱金属掺杂硼团簇储氢性能的理论研究 出处：《河南大学》2016年硕士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：世界经济和人类社会的发展都离不开能源的开发和利用,然而传统的化石燃料如煤、石油、天然气等储量有限,且燃烧过程中会产生CO_x、NO_x、SO_x等气体,造成严重的环境污染。开发和利用新型的绿色清洁能源是解决能源危机和环境问题的主要途径之一。氢能由于其储量丰富、热值高、燃烧产物为水、对环境无污染等优点被认为是一种理想的能源载体。氢能体系的建立主要包括氢的大规模制备、高效储存、安全运输和合理利用等方面,其中氢储存是制约氢能规模化应用的主要技术障碍之一。储氢方法可大致分为物理存储和化学存储两大类,其中物理存储主要为高压气态储氢、低温液态储氢和多孔材料吸附储氢,化学存储主要为金属氢化物储氢等。物理存储储氢量低,且存在一定的安全隐患,化学存储中氢大都以原子形式存在,脱附较为困难。理想的储氢方式为固态储氢材料储氢,氢以分子形式吸附于基底材料中,且吸附能介于物理吸附和化学吸附之间。因此,新型高效的储氢材料成为了储氢领域的研究重点。本论文利用基于第一性原理的密度泛函理论计算方法,研究了碱金属原子掺杂硼团簇的储氢性能,主要内容如下:全硼富勒烯B_(40)团簇是继碳富勒烯C_(60)之后第二个从理论和实验上完全确认的无机非金属笼状团簇,并被命名为硼球烯。其结构是由顶部和底部两个相互交错的B六元环及腰上四个两两相对的B七元环相互融合而成,具有D_(2d)对称性。我们利用密度泛函理论研究了碱金属原子Li和Na掺杂B_(40)团簇的电子性质。Li原子和Na原子结合于B_(40)团簇表面时,金属原子更倾向于分布在六元环和七元环中心位置,且Li原子的平均结合能为2.44 eV,比金属锂的内聚能大,这使得Li原子能稳定结合于B_(40)表面,而不发生团聚,也使得Li原子周围有足够的空间可以用于储氢,这与Ti原子结合于B_(40)团簇表面的情形类似。接下来我们计算了Li原子掺杂B_(40)团簇的储氢性能,计算结果表明氢气分子向Li原子和基底材料间转移了部分电荷,使得氢气分子的成键电子云密度下降,氢键被拉长但没有被破坏,氢仍以分子形式吸附,氢气分子的平均吸附能为0.12 eV,且Li_6B_(40)团簇的储氢质量密度为10.4 wt%。B_(14)团簇是由两个开口的B七元环垂直嵌套构成的笼状团簇,且具有D_(2d)对称性。我们利用基于第一性原理的密度泛函理论计算方法研究了碱金属原子Li和Na掺杂B_(14)团簇的电子特性及储氢性能。Li原子和Na原子分别结合于B_(14)团簇表面时,两种金属原子都更倾向于分布在B七元环底部的B-B桥位,且Li原子和Na原子的平均结合能分别为1.71 eV和1.12 eV,都大于相应金属块体的内聚能,这使得碱金属原子Li和Na掺杂B_(14)团簇能稳定存在。Li_8B_(14)和Na_8B_(14)团簇都能稳定吸附24个氢气分子,相应的储氢质量密度分别为18.6 wt%和12.4 wt%。氢气分子吸附时,氢气分子向金属原子和基底材料间转移部分电荷,两个氢原子间的相互作用变弱,但氢键没有被破坏,金属原子周围产生的电场也使氢气分子极化,这都使得氢能以分子形式稳定吸附于Li原子和Na原子掺杂B_(14)团簇表面,氢的平均吸附能分别为0.22 eV和0.12 eV。我们的计算结果表明对于B_(14)团簇,Li原子掺杂的储氢性能要优于Na原子掺杂。
[Abstract]:Hydrogen storage is one of the main technical obstacles to solve the problems of energy crisis and environment . The average binding energies of Li atoms and Na atoms are 1.71 eV and 1.12 eV , respectively , which are larger than the internal energy of the corresponding metal blocks . The hydrogen molecules can stably adsorb the 24 hydrogen molecules . The hydrogen bonds do not destroy , the electric field generated around the metal atoms is weakened , and the average adsorption energy of hydrogen is 0.22 eV and 0.12 eV , respectively . The results show that the hydrogen storage performance of Li atoms is better than that of Na atoms for the B _ ( 14 ) clusters .
【学位授予单位】：河南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34
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，本文编号：1438670
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