基于sp+sp2混合杂化的碳纳米组装储氢材料的第一性原理研究

近年来，sp2杂化的碳基纳米储氢材料受到广泛关注，而如何将sp2结构组装为固体储氢材料则成为必须突破的关键问题。纳米组装材料(基于sp+sp2结构)是团簇向固体材料过渡的关键一步，表现出丰富的结构及电子性质。本项目拟将孤立的sp、sp2杂化碳基储氢体系拓展到纳米组装材料：通过研究不同维度碳纳米结构之间的几何结合方式及电子结构，探索sp杂化的碳原子链类型(polyyne或cumulene)对团簇组装材料构型及其成键机制的影响，结合对体系的动力学分析搜索最稳定的结构；利用金属(非金属)原子掺杂调控组装材料对氢气吸附的微观机制；建立可以均匀修饰sp+sp2结构的金属原子的数据库，避免金属的团簇化，实现材料的可逆利用；利用sp+sp2材料的三维有序组装探索向固体材料过渡的规律。我们的研究目标旨在从sp+sp2多维度复合结构中发现新型的高效储氢材料，为制备可行的碳基固体储氢材料奠定理论基础。

sp2杂化的碳、硼基纳米储氢材料被广泛研究，而利用sp2结构组装固体储氢材料成为核心问题之一。组装储氢材料需满足：材料的可循环利用，高的储氢质量分数，室温下吸附氢分子。本项目中，我们利用一维的碳链结构，将不同维度的碳及硼基结构进行组装，这种团簇组装材料为向固体储氢材料过渡迈出了关键一步。我们首先利用全电子的密度泛函理论研究了不同维度碳纳米结构之间的几何结合方式及电子结构，探索了硼掺杂浓度对团簇组装材料构型及其成键机制的影响，利用动力学方法确定体系的稳定性。其次，利用金属原子掺杂及外部电场调控组装材料对氢气吸附的微观机制，筛选可以均匀修饰碳、硼组装材料的金属原子类型，避免金属的团簇化，提高材料的可逆利用。并且研究了如何利用体系的电学性质探测储氢的浓度变化。然后，利用混合杂化材料的组装探索向固体材料过渡的规律。我们的研究成果为利用sp+sp2多维度复合结构设计新型的高效储氢材料奠定理论基础。