2.1 计算方法 2
2.2 软件简介 4
3 计算及结果分析 6
3.1 计算参数设置及计算结果处理 6
3.2 氮和硼取代的多孔石墨烯对于气体分子的过滤 7
3.3多孔纳米管的卷曲效应及其对储氢性能的影响11
3.3.1多孔碳纳米管的构建、管径及能带 11
3.3.2卷曲效应对多孔石墨烯储氢性能的影响 14
结论 17
致谢18
参考文献18
1 引言
能源,是人类社会发展进步的重要支撑。纵观人类历史,由刀耕火种的原始社会到科技日新月异的现代社会,每一次社会形态更替的总是伴随着能源类型的深刻变革。当代经济的高速发展,则更是以空前的能源消耗为前提。现今人类社会依靠的能源,绝大部分来自于煤和石油等传统化石源料。由于地球所储存的这些化石原料终究有限,进入21世纪,能源危机越来越成为人类面临的重大问题。为此,寻求可替代传统化石原料的可再生新能源,是应对这一危机的必然选择。目前在研究中的新能源包括风能,水能,核能,氢能和地热能等。在这些能源中,氢能具有来源广泛、高热值和燃烧产物无污染等一系列优点[1],使得氢能成为一种很有前景的新能源。
氢能在实际应用中面临三个方面的问题:即氢气的制取、提纯和储存。解决这三个问题是氢能应用的关键。对于氢气的存储,由于氢在通常条件下以气态形式存在,而且具有易燃、易爆、易扩散的特性,因而会给氢的储存和运输带来很大不便。根据现有的技术和材料,氢气的存储往往伴随着高成本和低安全性的缺点,这些都将阻碍氢能作为一种新能源的推广应用。因此,对于储氢手段和储氢材料的要求是,一方面,必须要保证氢在实际应用中储存和运输时的安全、高效和无泄漏;另一方面,要满足氢的存储密度(包括质量储氢密度和体积储氢密度)高、能耗少和经济可行等。对此,美国能源部对储氢材料提出的目标是,在2017年以前氢气在储氢材料中的质量分数不低于5.5wt%。
完整的石墨烯是由单层原子组成的的二文平面结构,具有平移周期性,其结构单元为C原子所形成的751元环,C原子间是共轭的 键。石墨烯于2004 年第一次在实验室通过机械剥落高定向的热解石墨而制得[2]。这一发现引起了科学界的巨大兴趣,其发明者也获得了2010年度的诺贝尔物理学奖。同时,科学家也发现石墨烯具有许多优良的电子特性[3,4]。
石墨烯由于其独特的结构与性能,在很多领域均有潜在的应用,作为高效储氢材料便为其一。Sofo指出,通过氢化使石墨烯的C-C键断裂,可制得多孔石墨烯[5]。随后Bieri 等人成功的在实验室人工合成了多孔石墨烯[6]。研究表明,相比原来完整的石墨烯,多孔石墨烯具有更为理想的能带带隙,因而可以有更广阔的应用[7]。同时,Aijun Du等人的研究表明多孔石墨烯也有非常理想的储氢性能[8],具体做法是让Li原子吸附到多孔石墨烯上,再以Li为媒介去吸附氢气分子。当多孔石墨烯掺入 Li 后,Li 原子将吸附到石墨烯的芳香环的正上方。为了避免 Li 原子团聚,多孔石墨烯的单胞在吸附4个 Li 原子时达到最大掺Li浓度,此时计算发现每个Li原子吸附一个、两个、三个氢分子时,体系对于氢分子平均结合能几乎不变,分别为-0.265eV, -0.270eV, -0.256eV,而当吸附四个氢分子时由于氢分子之间相互影响,结合能降低到 -0.206eV。这样,在多孔石墨烯单胞上掺杂2个Li原子和4个Li原子时,储氢质量比分别为7wt%和12wt%,结果很理想。
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