化石能源對環(huán)境的污染破壞使得社會發(fā)展不可持續(xù)，人們正積極努力尋找新一代的綠色能源。在這過程中，氫能因其豐富的儲量、環(huán)境友好的特性、高能量密度以及其產(chǎn)生的唯一產(chǎn)物——水，而備受矚目。
 

　　雖然氫氣生產(chǎn)的途徑多種多樣，但是氫氣的儲存仍然是一個極大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的高壓氫氣儲存方法要求持續(xù)維持高壓，由此帶來的潛在風險不容忽視。另一方面，液態(tài)儲氫雖然是一種可行的方法，但其實現(xiàn)所需的能源投入較大，且效率相對較低。因此，固態(tài)氫氣儲存被認為是一種理想的解決方案。固態(tài)儲存能夠在不改變材料結(jié)構(gòu)的前提下，吸收和釋放大量的氫氣。
 

　　目前的關(guān)鍵問題在于尋找一種儲氫性能出色且能在吻合條件下釋放氫氣的固態(tài)儲氫材料。美國能源部提出了關(guān)于固態(tài)氫氣儲存的指導方針。根據(jù)這些方針，一個有效的固態(tài)儲氫裝置應當能夠儲存至少6.5 wt%的氫氣，以滿足氫燃料電池車續(xù)航500英里(約805公里)的目標。為了實現(xiàn)這一目標，研究人員們正在不遺余力地探索各種可能的固態(tài)儲氫材料，以在儲存和釋放氫氣時均能表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。
 

　　中國科學院力學所的彭慶研究員與廣西大學的歐陽義芳教授領導的團隊，通過第一性原理計算，成功開發(fā)出一種具有廣闊前景的二維固態(tài)儲氫材料體系Ti-decorated Irida-Graphene(鈦修飾的鳶尾花型石墨烯，簡稱TIG)。這一體系中，Irida-Graphene(鳶尾花型石墨烯，簡稱IG)是一種新型的類石墨烯材料，由三原子、六原子和八原子的碳環(huán)組成。研究團隊發(fā)現(xiàn)，通過在IG上引入修飾性的鈦(Ti)原子，其儲氫性能可以高達7.7wt%。
 

　　首先，研究團隊對鈦原子在鳶尾花型石墨烯不同吸附位點的吸附能力進行了計算研究，發(fā)現(xiàn)鳶尾花型石墨烯的六原子上方的中空位(Hollow)是最穩(wěn)定的吸附位點。隨后，通過在體系中逐個加入氫分子(H2)，計算了連續(xù)吸氫能力，結(jié)果顯示每個鈦原子周圍可吸附5個氫分子。因為鳶尾花型石墨烯是二維材料具有上下兩個表面，其兩個表面可以同時吸附氫分子。當鈦原子填滿鳶尾花型石墨烯的所有六原子環(huán)中心環(huán)位時，其可儲存的氫氣高達7.7 wt%，超過了美國能源部提出的6.5 wt%目標。根據(jù)6.5 wt%的儲氫密度可以使氫燃料電池車續(xù)航500英里估計，7.7 wt%儲氫密度的續(xù)航約為590英里(950公里)
 

　　應用Van't Hoff方程計算得知，TIG的平均放氫溫度為524 K(253攝氏度)。電子結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，氫氣分子與TIG之間為Kubas型鍵合。氫氣分子在吸附后獲得凈電荷。這種電荷轉(zhuǎn)移還會導致H-H鍵距延長，但不會使分子與其結(jié)構(gòu)分離。同時在TIG儲存氫氣時，鈦原子的3d軌道與純TIG相比，接近費米能級的電子態(tài)密度有所減少，表明在吸附后電荷從鈦原子的3d軌道轉(zhuǎn)移到氫分子的1s軌道上。隨著額外的氫氣分子不斷集成到系統(tǒng)中，鈦原子的3d軌道上電子將繼續(xù)轉(zhuǎn)移到氫的1s軌道上，形成穩(wěn)定吸附。
 

　　為了考量TIG材料的結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性，研究團隊還通過CI-NEB方法探究了修飾的鈦原子的遷移能力，發(fā)現(xiàn)鈦原子的擴散遷移能壘為5.0eV。在平均解吸溫度524 K下，鈦原子的熱能為0.68eV，遠低于擴散能壘值。由于結(jié)構(gòu)構(gòu)型的穩(wěn)定性以及高能壘值在反應溫度下的限制，鈦原子的遷移受到限制。這意味著在吸氫和放氫過程中，鈦原子不會發(fā)生遷移，從而避免了金屬團聚引發(fā)的儲氫結(jié)構(gòu)破壞，證明了該體系作為可行的儲氫介質(zhì)。最后，研究團隊還借助第一性原理分子動力學模擬確定了該材料在室溫300 K和高溫600 K下的熱力學穩(wěn)定性。所有這些理論預測結(jié)果為開發(fā)新型高效的儲氫材料提供了一種新的可選方案。
 

　　該研究成果以“Stable and 7.7 wt% hydrogen storage capacity of Ti decorated Irida-Graphene from first-principles calculations”為題發(fā)表于International Journal of Hydrogen Energy期刊上。廣西大學博士生譚詠康為論文第一作者，彭慶研究員和歐陽義芳教授為通訊作者。此工作得到國家自然科學基金和中國科學院力學所力英計劃的支持。
 

　　圖 1. (a)2×2 的IG超胞；(b)TIG的原子結(jié)構(gòu)。其中鈦原子位于H2中空位點的吸附能最低，結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定?；疑退{色球體分別表示碳原子和鈦原子。黃色、紅色和綠色分別表示中空位、頂位和橋位鈦原子吸附位點。通過計算結(jié)合能發(fā)現(xiàn)，鈦原子可以吸附在中空位和頂位，結(jié)合能分別為T1 (-2.50 eV)、T2 (-2.17 eV)、H1(-2.33 eV)、H2(-2.84 eV)和H3(-2.77 eV)。其種Ti原子在六角碳環(huán)的中空位的結(jié)合能最低。在六角碳環(huán)上方裝飾了鈦原子后，六角碳環(huán)的C-C鍵從1.43增加到1.46

　　圖 2 IG在鈦原子修飾之前(a)和之后(b)的總態(tài)密度(TDOS)。其中費米級 Ef被設為零。在IG中摻入鈦原子后，可能態(tài)的密度得到了提高，自旋向上和自旋向下的態(tài)密度的對稱性消失，且系統(tǒng)變得具有磁性
 

　　圖 3 碳原子的2p軌道在(a)IG和(b)TIG的投影態(tài)密度(PDOS)；鈦原子3d軌道在(c)孤立狀態(tài)和(d)TIG中的投影狀態(tài)密度。隨著體系中鈦原子摻入后，碳的2p軌道在費米能級以下的狀態(tài)數(shù)顯著增加，說明電荷增加。同時，鈦原子的3d軌道從離散態(tài)變?yōu)檫B續(xù)態(tài)，表明鈦原子與IG之間發(fā)生結(jié)合
 

　　圖 4 氫分子以不同方向放置于鈦原子周圍，并經(jīng)過幾何優(yōu)化后的原子結(jié)構(gòu)。(a)水平方向、(b)垂直方向和(c)傾斜方向。這些不同方向放置的氫分子的吸附能分別為-0.40、-0.13和-0.60 eV。由此可見傾斜放置是最穩(wěn)定的吸附狀態(tài)
 

　　圖 5 TIG吸附H2分子后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)和吸附能。(a)~(e) 1~5 H2分子吸附結(jié)構(gòu)。(f) 在IG兩側(cè)均放置鈦原子，每個鈦原子吸附5個H2的結(jié)構(gòu)。灰球、藍球和紅球分別代表碳、鈦和氫原子。(g) H2連續(xù)吸附能
 

　　圖 6 各種金屬修飾碳納米材料的儲氫性能?？梢杂^察到TIG的體系具有相對較高的儲氫效率和合適的解吸溫度。這表明用TIG是一種有價值的儲氫潛在材料
 

　　圖 7 氫原子的1s軌道和鈦原子3d軌道的投影態(tài)密度(PDOS)。(a)孤立H2的氫1s軌道；(b)TIG+H2系統(tǒng)的氫1s軌道；(c)TIG的鈦3d軌道；(d)TIG+H2系統(tǒng)的鈦3d軌道。系統(tǒng)吸收H2后，氫的1s軌道在費米級附近的密度增加。鈦的3d軌道則在費米水平以下下降。說明吸氫后，鈦原子的3d軌道的電荷向氫的1s軌道轉(zhuǎn)移
 

　　圖 8 TIG體系(a)在吸附第一個氫分子之前和(b)在吸附第一個氫分子之后的差分電荷密度。電荷密度圖中黃色代表靜電勢濃度增加，藍色代表濃度降低。根據(jù)Bader電荷分析，TIG中鈦原子將1.13e的電荷轉(zhuǎn)移到相鄰的碳原子上，這是鈦原子和IG之間形成強鍵的原因
 

　　圖9鈦原子從六角中空位向周圍的八角環(huán)中空位遷移擴散能壘。插圖顯示了擴散路徑。初始狀態(tài)的能量設定為0 eV，最終狀態(tài)比初始狀態(tài)高0.07 eV。在此擴散路徑上的擴散能壘為5.0 eV。這保證了鈦原子在服役條件下發(fā)生遷移而導致的金屬聚集和結(jié)構(gòu)破壞
 

　　圖 10 第一性原理分子動力學模擬在NVT系綜下TIG的總能量和溫度隨模擬時間變化的關(guān)系曲線。模擬溫度分別為(a)300 K和(b)600 K。(a)和(b)中的插圖分別是TIG在兩個溫度下熱浴10 ps后的原子快照。熱浴過程中，鈦原子在其初始位置附近并且不會移開，這表明在高溫條件下TIG仍能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性