《储氢材料团簇的理论研究》

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①课题来源与背景:该成果是在国家自然科学基金项目《储氢合金团簇的理论研究》(编号:10547007)、有色金属新材料国家重点实验室开放基金(编号:SKL05008)、甘肃省自然科学基金(编号:3ZS062-B25-022)和兰州理工大学优秀青年资助计划的共同资助下完成的研究成果。②研究目的与意义:能源是现代社会赖以生存和发展的基础。利用氢能、太阳能、风能等清洁能源取代以化石燃料为基础的不可再生能源已成为全球的共识。氢能的发展中最关键技术难题之一是氢的储存。近年快速发展的氢燃料电池汽车要求固体储氢材料储氢容量应达到美国能源部标准(DOE标准:6.5wt.%或62kgH2/m<'3>)和国际能源署标准(IEA标准:5wt.%或50kgH2/m<'3>),只有部分络合物能够满足这个要求。络合物储氢材料中的金属一般为轻金属(IA、ⅡA、ⅢA金属元素),如Li、Mg、Na、Al等。由于质量轻,使得由它们组成的氢化物中的氢质量百分比相对较高。例如该成果中M-N-H(M是指I-IV族和一些过渡族金属)系列络合物都属于高储氢量材料。实验研究尝试各种可能的M-N-H储氢体系和可能的催化剂,工作量大,实验时间和经费消耗也多。而采用计算机模拟方法,可节省大量的实验时间和实验消耗,是一种相对廉价的手段。同时,通过分析电子结构、化学键的变化和电荷的转移规律,研究储氢材料几何结构、电子结构与储氢性能的关系,探讨络合物的储氢机理,可以预言新型储氢材料的结构和性质,设计新型储氢材料。③主要论点与论据:该成果运用第一性原理方法,对M-N-H(M=Li,Na,Mg,Ca)系储氢材料团簇的结构与性质进行了计算和分析。研究发现,氨基化合物团簇中金属原子和-NH2基之间相互作用呈现较强的离子性,-NH2基中N-H之间呈现共价键特性;亚氨基化合物团簇中,金属原子和-NH基之间相互作用也是较强的离子性,-NH基中N-H之间同样是共价键;团簇的-NH基和-NH2基中,N-H之间均是较强的共价键,但-NH基比-NH2基稳定性低,故-NH基应该比-NH2基容易放氢;M-N-H系材料各团簇的几何结构和振动光谱研究均表明,-NH2、-NH基在团簇和晶体中结构保持不变,说明-NH2、-NH基在晶体和团簇中均保持其完整性。而该系列材料储氢全部在-NH2、-NH基中,故团簇可以很好的描述其晶体的储氢性能。④创见与创新:该成果从团簇层次、运用第一性原理方法计算了M-N-H系列储氢材料团簇的几何结构和电子结构,对其光谱特性、电荷特性和稳定性等进行了讨论。研究发现,相对于Li-N-H系、Na-N-H系和Ca-N-H系,Mg-N-H系材料储放氢反应的可逆性较好;Li-N-H系中反应物LiH用MgH2替代、或者LiNH2用Mg(NH2)2替代,都可以降低反应焓的数值,说明替代都可以改善储氢性能。通过计算各团簇的能隙、费米能级和电离势发现:Na的氮化物、氢化物和氨基化合物团簇均有相对较小的电离势和能隙,以及相对较高的费米能级,说明Na-N-H系储氢材料有较好的化学活性。这些结果对后续实验研究有重要的指导意义,对该系列储氢材料的储放氢机理也可以给出很好的解释。⑤社会经济效益,存在的问题:该成果发表论文20余篇,其中SCI收录17篇、EI收录5篇(与SCI有重复)。SCI最高影响因子1.277,单篇最高被引15次。

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