固體所在設(shè)計新型儲氫材料方面取得新進展

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源需求與日俱增，同時，傳統(tǒng)的煤炭、石油和天然氣等化石燃料帶來了環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等諸多問題，因此清潔、可再生能源的開發(fā)已迫在眉睫。在眾多新能源中，氫能被視作連接化石能源和可再生能源的重要橋梁。在整個氫能系統(tǒng)中，儲氫是非常關(guān)健的環(huán)節(jié)之一。早期關(guān)于儲氫材料的研究大多集中在過渡金屬、堿金屬和堿土金屬修飾的sp2型碳納米材料上。

近期，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理所劉春生博士和曾雉研究員利用全電子的*性原理方法，研究了過渡族金屬Ti修飾的有限長sp雜化的碳原子鏈的儲氫能力。Ti可以穩(wěn)定的吸附在碳原子鏈的一端，并且其結(jié)合能與碳鏈的類型有關(guān)，呈現(xiàn)明顯的奇偶振蕩性質(zhì)。利用過渡態(tài)理論計算Ti吸附在鏈端的路徑發(fā)現(xiàn)整個過程不存在能壘，這為實驗上可以合成這種材料提供了有力的證據(jù)。結(jié)果表明，Ti原子通過與碳原子的d-p軌道雜化可以形成穩(wěn)定的TiCn復(fù)合物，這種復(fù)合物吸附H2的數(shù)目依賴于碳鏈的類型。對于polyyne （n取偶數(shù)）和cumulene （n取奇數(shù)）型的碳鏈，Ti原子分別吸附五個和六個H2。研究人員提出C20富勒烯飽和TiC5的另外一端能夠形成穩(wěn)定的sp+sp2新型結(jié)構(gòu)，其吸附H2的結(jié)合能為0.52 eV/H2。

以上研究結(jié)果為基于一維碳納米材料設(shè)計高質(zhì)量密度的儲氫媒介提供了一種新思路。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 2323 （2011）。