[发明专利]一种提高纳米材料储氢性能的方法

说明书

本发明涉及储氢材料模拟储氢技术领域，具体来说是一种提高纳米材料储氢性能的方法。具体操作为：先将金属原子Ⅰ与硅烯进行一次结合，得到结合材料，再将金属原子Ⅱ与结合材料进行二次结合得到金属修饰硅烯。本发明通过在硅烯上结合金属以将金属做为催化剂，使混合气体中的杂质气体氧气和氢气反应氧化还原反应生成水，在放氢的过程中从储氢材料当中释放出去，以消除氧气等杂质气体对储氢性能的影响。

技术领域

本发明涉及储氢材料模拟储氢技术领域，具体来说是一种提高纳米材料储氢性能的方法。

背景技术

氢作为一种清洁能源，由于其储量丰富、无污染、能量密度高等优点已经引起人们的广泛关注。然而，到目前为止氢能源并没有得到大规模的应用，一个重要原因就是没有找到合适的储氢方式。常规的储氢方式如：压缩储氢、液化储氢，由于高能耗和安全问题，至今未能实现大规模应用。而轻金属氢化物中虽然氢的质量密度较高，但是由于氢以原子形式存在，所以放氢比较困难。近年来的研究发现，吸附储氢是一种极具潜力的储氢方式。衡量吸附储氢材料的优劣有两个基本因素：储氢的质量比和对氢分子的吸附能。对于质量比来说越大越好，对于吸附能却要求不能过大也不能太小。如果吸附能太大，放氢需要很高的温度；如果太小，储氢需要低温或者高压。

碳基纳米材料由于比表面积大的优点在储氢方面得到系统研究，然而纯的碳纳米材料对氢的吸附比较弱，储氢量也比较低。为了提高纳米材料的储氢能力，控制储氢材料储、放氢过程，科学家已经做了一些尝试。2005年以来，研究者利用金属修饰(或掺杂)碳基纳米材料后，储氢效果得到明显提高。所涉及到的碳基纳米材料包括富勒烯、纳米管、石墨烯和石墨炔等。修饰原子可以是碱金属、碱土金属和过渡金属。金属修饰后的纳米材料的储氢量和吸附能基本接近可以利用的范围。然而用金属修饰纳米材料储氢也存在一些不容忽视的问题：金属原子与碳基纳米材料结合较弱，形成的复合材料不稳定，不利于储放氢的可逆利用。为了解决金属原子和衬底结合较弱容易聚合的问题，我们研究了锂修饰的碳氮单层多孔纳米材料、硼单层纳米材料和硼氮原子链等的储氢性能，由于锂原子与上述几种纳米材料结合较强，吸附能大于内聚能，所以可以稳定的分散在纳米材料中，避免了金属聚合的问题。我们选用的几种材料都是比表面积较大的体系，所以储氢质量密度较高，是极具潜力的储氢材料。

在储氢领域，纳米团簇也是储氢材料的选择之一。Z.P.Jiang等研究了Li3N团簇的几何结构、电子结构和储氢性能，由于锂原子本身包含在团簇中，避免了修饰原子聚合的问题。在(Li₃N)n团簇中，锂氮键既有离子键的特点又有共价键的特征，表现出一定的极性，每个团簇可以吸附多个氢分子。但是，用团簇储氢也同样存在上述不容忽视的问题——氧气对储氢的影响。

使纳米材料带电可以调制材料的储氢性能。此外，人们在利用电场来调制材料的储氢性质方面也做出了一些尝试。J.Zhou等研究了电场对极性材料储、放氢的影响，由于硼氮石墨烯材料的硼氮键本身具有极性，所以可以吸附氢分子，但是吸附能只有0.03eV/H₂。加上垂直于硼氮石墨烯平面的电场后，氢分子被电场进一步极化，产生了较大的偶极矩，吸附能随着外场的变大而增加，所以利用电场可以一定程度上控制材料的储氢能力。但是电场对氧分子吸附的调制作用仍然是未知的，电场对其他非极性的纳米材料储氢的调控还有待研究。目前还没有找到能够只吸附氢气而不吸附氧气的材料，因此杂质气体氧气的存在是制约材料储存分子氢的重要因素，是储氢领域必须考虑和解决的问题。

在催化领域，金属修饰的碳基纳米材料和团簇由于其优良的特性而引起了广大科学工作者广泛和持之以恒的兴趣。一些金属材料本身不具有催化能力，但它们形成纳米团簇或者分散在基底上以后却表现出较强的催化能力。例如，金属原子包括Au、Cu、Fe等镶嵌在具有缺陷的石墨烯上形成的复合材料对一氧化碳氧化反应有较强的催化能力，可以实现低温消除一氧化碳。张海军研究组制备的“皇冠-宝石”型(crown-jewel)的Au-Pd团簇，由于Pd原子向Au原子转移了电荷，Au原子带负电，表现出较强的催化活性。