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碱金属修饰的三维共价有机骨架材料储氢性能研究

高猛  
【摘要】: 共价-有机骨架材料(Covalent-Organic Frameworks, COFs)是一种类似于沸石结构的新型纳米多孔材料,具有较大的比表面积和空隙率、热稳定性好、密度小等特点,可应用在气体储存和分离等领域。氢能以其热值高、无污染、来源丰富等优点,被称为21世纪的理想能源。氢气的储存是氢能利用的关键技术之一,决定着氢能能否得到广泛应用。目前COFs用于氢气储存方面还有很多有待解决的问题,诸如吸/放氢动力学、温度及性能改善的机理等。 计算材料学方法不仅可以突破传统方法中的局限性,而且还可为最佳吸附材料的设计和最优操作工况的确定提供理论依据,实现从以经验为主向定量、定向制备的转变,从而节省大量繁杂的实验研究。因此,开展对COFs中氢气吸附性质的理论研究,具有非常重要的实际意义。 本文采用第一原理和分子模拟两种方法研究了碱金属(Li, Na, K)修饰的COFs(本文选取COF-108为研究对象)的储氢性能进行了系统的理论研究,采用基于第一原理的SIESTA(Spanish Initiative for Electronic Simulations withThousandsof Atoms)计算软件研究COF-108的结构特征和稳定性,确定金属元素在COF-108中占据位置及其对体系结构的稳定性和电子结构的影响,研究了氢分子在COF-108及碱金属修饰的COF-108中的吸附及与基体的相互作用,并采用巨正则蒙特卡洛法模拟了COF-108和碱金属修饰的COF-108的吸氢行为。 研究结果表明:(i)H2在无碱金属修饰的COF-108中的吸附能为0.03eV,与Van de Waals相互作用相当,说明H2为物理吸附于COF–108中。(ii)本文所研究的三个碱金属元素Li、Na和K元素在COF-108中的掺杂性质相似,都可与基体原子之间有一定的成键作用,三者均倾向于占据苯环中心位置,距离苯环的距离从2.4到3.6?,三者在COF-108中的掺杂能分别为0.451eV、0.265eV和0.565eV。(iii) H2在Li、Na和K修饰的COF-108中的吸附能分别为0.367 eV、0.308 eV和0.472 eV,与无修饰的COF-108相比提高了一个数量级,电子结构分析表明在碱金属修饰的COF-108中H2可与基体部分成键。(iv)在77K和80bar条件下,金属修饰的COF-108最大吸氢量可达30.44wt%,体积分数为66.10kg/m3。


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