过渡金属掺杂硼团簇结构及储氢性质的理论研究

氢能源有可能成为清洁、可持续的替代能源。目前氢能源使用中一大瓶颈是氢气的储存。我们在总结前人工作的基础上，对一种潜在的、可在常温与适中压力下使用的储氢材料：BmTMn团簇展开理论研究。我们首先对BmTMn团簇 （8≤m+n≤40;m≥n; TM=Sc, Ti, V, Cr）的稳定性展开研究，总结出它们的稳定性规律，并寻找支配其稳定性的内因。在此基础上，选择出一些稳定的BmTMn团簇，对它们与氢分子之间的相互作用进行详细研究,了解氢分子吸附能与团簇结构、过渡金属种类等之间的关系。为了更接近实际地了解这类团簇的储氢性能，还将对选定的储氢体系进行从头算分子动力学模拟，了解温度、氢气压力、氢气吸附量之间的关系；了解在吸附与脱附过程中，体系结构的演化情况，从而对储氢体系性能做出综合评价。项目还将就电场对BmTMn团簇储氢过程的调控作用进行模拟探讨。

在本项目中，我们通过理论计算，对金属修饰的硼纳米材料，过渡金属－乙炔复合物、多组分金属配位氢化物的结构及储氢性能进行了模拟研究，预测了一系列可能的储氢材料，并提出了设计储氢材料的可能方向。研究水平基本接近国内国际同类研究水平。我们取得的主要研究结论包括：.（1）经过对金属掺杂B原子体系结构与储氢能力的研究，我们发现，碱金属修饰的材料并不适合在室温下储氢。过渡金属原子修饰B原子团簇时，过渡金属原子不会发生团聚。但材料的储氢能力与结构之间有很大的关系，如稳定的B6Ti2单元也不能作为室温储氢单元。（2）在碳的共轭结构中，掺入硼原子，可以增强其与过渡金属原子之间的相互作用，也能增加过渡金属与氢分子之间的相互作用能。我们还首次发现，开壳层结构与氢分子之间作用较大，适合在温室下储氢。（3）我们提出最有可能的室温储氢材料为过渡金属修饰的碳骨架材料和COF材料。同时，设计了两种由石墨烯带与过渡金属Ti形成的骨架材料。并且理论证明其可成为室温储氢材料。（4）我们提出过渡金属Sc、Ti与乙炔形成的结构，是很好的构建室温储氢材料的基础单元。其单体的储氢能力达到14wt%，即使聚合后，储氢能力依然能满足需要。（5）我们提出7个多组分金属配合物体系，其有可能成为室温下的储氢材料。（6）首次对二元金属配位氢化物形成的多组分体系进行了研究，并发现了2个储氢能力超过7.2wt%的储氢体系，其有可能作为室温储氢材料。.本项目自实施以来，公开发表的论文有11篇，参于组织1次全国量子化学会议。参加学术会议10余人次，并做分组邀请报告1次。先后包括2名博士研究生和6名硕士研究生参加了研究工作。项目组与澳大利亚昆士兰科技大学朱怀勇教授开展了合作交流。项目的实施促进了本学科人才的培养工作，也推动了学科的建设和发展。