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从缺陷角度认识放氢机制

时间:2017-11-11 15:14:00来源:科学网

       据科学网报道:面对石油资源日渐匮乏和生态环境严重恶化的双重压力,利用氢能这一清洁能源取代以化石燃料为基础的现有能源已成为全球关注的热点。就目前氢能发展的现状而言,高效的储氢方式及储氢材料的研发是实现氢能经济的关键和瓶颈。在储氢家族中,有一系列由轻元素BNLiNaAlMgCa等与H构成的三维固态化合物,如NaAlH4LiNH2LiBH4, Li4BN3H10MgH2AlH3、氨硼烷(NH3BH3)等。它们具有较高的氢质量分数和氢体积分数,但存在放氢温度偏高、放氢速率缓慢的问题,严重制约了其在车载氢源上的应用。因此,认识它们的放氢机理并调控放氢的热力学和动力学是储氢材料领域十分关注的问题。

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上述材料内部原子之间的结合方式是离子键和(或)共价键,且为具有带隙的绝缘体。从微观角度来看,它们放氢的初始阶段涉及材料内部化学键的断裂和组份原子的迁移,该过程可视为本征点缺陷的形成与扩散。因此,可从点缺陷角度对放氢过程及机理进行研究。

来自中南大学的王建川博士、杜勇教授和桂林电子科技大学的孙立贤教授在《国家科学评论》上撰写了观点文章Understanding of hydrogen desorption mechanism from defect point of view,回顾了从点缺陷角度认识放氢初始阶段的理论研究。他们从(1)点缺陷的形成能;(2)点缺陷的迁移能垒;(3)点缺陷导致的晶格弛豫三个重要方面阐述了如何从点缺陷角度理解储氢材料的放氢过程和机理。文章指出通过缺陷形成能可以知道放氢反应过程中生成的主要缺陷类型及催化剂的催化机理;对缺陷扩散的研究可以知道组份原子的迁移路径及能垒,并有望找到影响放氢效率的关键因子;而分析缺陷产生后的晶格弛豫情况可以了解放氢过程中会生成哪些中间体或者副产物。

最后,作者指出放氢过程是一个十分复杂的过程,包含化学键的断裂、组份原子在体相的迁移、新相的形核和长大、氢原子在材料表面结合成氢气分子等。因此要全面认识放氢过程,需要多种尺度模拟手段的综合,如经典和第一原理的分子动力学模拟、动力学蒙特卡洛方法等。

 

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