本文關(guān)鍵詞：堿金屬摻雜硼團(tuán)簇儲(chǔ)氫性能的理論研究　出處：《河南大學(xué)》2016年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：世界經(jīng)濟(jì)和人類社會(huì)的發(fā)展都離不開能源的開發(fā)和利用,然而傳統(tǒng)的化石燃料如煤、石油、天然氣等儲(chǔ)量有限,且燃燒過程中會(huì)產(chǎn)生CO_x、NO_x、SO_x等氣體,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。開發(fā)和利用新型的綠色清潔能源是解決能源危機(jī)和環(huán)境問題的主要途徑之一。氫能由于其儲(chǔ)量豐富、熱值高、燃燒產(chǎn)物為水、對環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是一種理想的能源載體。氫能體系的建立主要包括氫的大規(guī)模制備、高效儲(chǔ)存、安全運(yùn)輸和合理利用等方面,其中氫儲(chǔ)存是制約氫能規(guī)�；瘧�(yīng)用的主要技術(shù)障礙之一。儲(chǔ)氫方法可大致分為物理存儲(chǔ)和化學(xué)存儲(chǔ)兩大類,其中物理存儲(chǔ)主要為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫和多孔材料吸附儲(chǔ)氫,化學(xué)存儲(chǔ)主要為金屬氫化物儲(chǔ)氫等。物理存儲(chǔ)儲(chǔ)氫量低,且存在一定的安全隱患,化學(xué)存儲(chǔ)中氫大都以原子形式存在,脫附較為困難。理想的儲(chǔ)氫方式為固態(tài)儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫,氫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學(xué)吸附之間。因此,新型高效的儲(chǔ)氫材料成為了儲(chǔ)氫領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。本論文利用基于第一性原理的密度泛函理論計(jì)算方法,研究了堿金屬原子摻雜硼團(tuán)簇的儲(chǔ)氫性能,主要內(nèi)容如下:全硼富勒烯B_(40)團(tuán)簇是繼碳富勒烯C_(60)之后第二個(gè)從理論和實(shí)驗(yàn)上完全確認(rèn)的無機(jī)非金屬籠狀團(tuán)簇,并被命名為硼球烯。其結(jié)構(gòu)是由頂部和底部兩個(gè)相互交錯(cuò)的B六元環(huán)及腰上四個(gè)兩兩相對的B七元環(huán)相互融合而成,具有D_(2d)對稱性。我們利用密度泛函理論研究了堿金屬原子Li和Na摻雜B_(40)團(tuán)簇的電子性質(zhì)。Li原子和Na原子結(jié)合于B_(40)團(tuán)簇表面時(shí),金屬原子更傾向于分布在六元環(huán)和七元環(huán)中心位置,且Li原子的平均結(jié)合能為2.44 eV,比金屬鋰的內(nèi)聚能大,這使得Li原子能穩(wěn)定結(jié)合于B_(40)表面,而不發(fā)生團(tuán)聚,也使得Li原子周圍有足夠的空間可以用于儲(chǔ)氫,這與Ti原子結(jié)合于B_(40)團(tuán)簇表面的情形類似。接下來我們計(jì)算了Li原子摻雜B_(40)團(tuán)簇的儲(chǔ)氫性能,計(jì)算結(jié)果表明氫氣分子向Li原子和基底材料間轉(zhuǎn)移了部分電荷,使得氫氣分子的成鍵電子云密度下降,氫鍵被拉長但沒有被破壞,氫仍以分子形式吸附,氫氣分子的平均吸附能為0.12 eV,且Li_6B_(40)團(tuán)簇的儲(chǔ)氫質(zhì)量密度為10.4 wt%。B_(14)團(tuán)簇是由兩個(gè)開口的B七元環(huán)垂直嵌套構(gòu)成的籠狀團(tuán)簇,且具有D_(2d)對稱性。我們利用基于第一性原理的密度泛函理論計(jì)算方法研究了堿金屬原子Li和Na摻雜B_(14)團(tuán)簇的電子特性及儲(chǔ)氫性能。Li原子和Na原子分別結(jié)合于B_(14)團(tuán)簇表面時(shí),兩種金屬原子都更傾向于分布在B七元環(huán)底部的B-B橋位,且Li原子和Na原子的平均結(jié)合能分別為1.71 eV和1.12 eV,都大于相應(yīng)金屬塊體的內(nèi)聚能,這使得堿金屬原子Li和Na摻雜B_(14)團(tuán)簇能穩(wěn)定存在。Li_8B_(14)和Na_8B_(14)團(tuán)簇都能穩(wěn)定吸附24個(gè)氫氣分子,相應(yīng)的儲(chǔ)氫質(zhì)量密度分別為18.6 wt%和12.4 wt%。氫氣分子吸附時(shí),氫氣分子向金屬原子和基底材料間轉(zhuǎn)移部分電荷,兩個(gè)氫原子間的相互作用變?nèi)?但氫鍵沒有被破壞,金屬原子周圍產(chǎn)生的電場也使氫氣分子極化,這都使得氫能以分子形式穩(wěn)定吸附于Li原子和Na原子摻雜B_(14)團(tuán)簇表面,氫的平均吸附能分別為0.22 eV和0.12 eV。我們的計(jì)算結(jié)果表明對于B_(14)團(tuán)簇,Li原子摻雜的儲(chǔ)氫性能要優(yōu)于Na原子摻雜。
[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 .

【學(xué)位授予單位】：河南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB34

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本文編號：1438670