缺陷调控对LiBH4表面结构与储氢性能的影响机制探究.docxVIP

缺陷调控对LiBH4表面结构与储氢性能的影响机制探究

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源需求持续增长以及环境问题日益严峻的大背景下，开发清洁、高效且可持续的能源已成为当务之急。氢能，作为一种极具潜力的清洁能源，其燃烧产物仅为水，几乎不产生温室气体排放，对缓解能源危机和应对气候变化具有重要意义，在21世纪作为重要能源已成为人们的共识。近些年，氢存储及应用领域取得了许多阶段性的成果，其被广泛应用于交通、电力等多个领域。例如，在交通领域，氢燃料电池汽车以氢气为燃料，能够实现零排放运行，有效减少了传统燃油汽车尾气对环境的污染。在分布式发电系统中，氢气可作为备用能源，当可再生能源发电不足时，通过燃料电池将氢气转化为电能，保障电力的稳定供应。

然而，氢能的大规模应用面临诸多挑战，其中氢气的高效存储是关键难题之一。目前常见的储氢方式包括高压气态储氢、低温液态储氢和固态储氢等。高压气态储氢需要昂贵的高压设备，且存在安全隐患；低温液态储氢则面临着液化过程能耗高、储存容器保温要求严格等问题。相比之下，固态储氢具有储氢密度高、安全性好、操作方便等优点，成为了研究的热点方向。

在众多固态储氢材料中，LiBH4因具有较高的理论储氢容量（18.5wt.%，121kgH2/m3）而备受关注。LiBH4属于离子型化合物，其释放氢的机理与合金不同。此外，它还具有重量轻、化学稳定性高以及对环境无污染等优势，是一种非常理想的潜在氢储存材料。但是，硼氢化物也存在一些问题，在常温常压下，其动力学反应速率较慢，储氢过程中需要较高的温度和/或氢气压力，这限制了其实际应用。

研究发现，材料中的缺陷对其性能有着至关重要的影响。缺陷可以改变材料的电子结构、晶体结构以及原子间的相互作用，进而影响材料的物理和化学性质。在LiBH4中引入特定的缺陷，有可能打破其原有的结构稳定性，改变原子间的键合方式，从而对其表面结构和储氢性能产生积极的调控作用。比如，通过缺陷工程，可以优化LiBH4的晶体结构，增加氢原子的扩散通道，降低氢原子的扩散能垒，从而提高其储氢动力学性能；缺陷的存在还可能改变LiBH4的电子云分布，增强其与氢气分子的相互作用，降低放氢反应的热力学势垒，使得放氢过程更加容易进行。因此，深入研究缺陷对LiBH4表面结构和储氢性能的影响，对于揭示LiBH4储氢的微观机制、优化其储氢性能以及推动其实际应用具有重要的现实意义。它可以为新型高效储氢材料的设计和开发提供理论指导，有助于突破氢能存储的技术瓶颈，加速氢能在各个领域的广泛应用，对于实现全球能源的可持续发展具有深远的影响。

1.2国内外研究现状

国内外众多科研团队围绕LiBH4储氢材料开展了大量研究。在储氢性能实验研究方面，国外如美国、日本等国家的研究团队通过机械球磨、热解等实验手段，深入探究LiBH4在不同条件下的放氢特性，发现添加催化剂如钛、钯、镍、钴等，可以显著提高其动力学反应速率；添加惰性气体如氩、氦等，能够降低储氢过程中的反应温度和压力，从而降低能耗。国内科研团队也积极开展相关工作，通过实验发现将硼氢化锂与金属纳米颗粒混合可以增加催化剂和反应物之间的接触面积，有助于催化反应，纳米颗粒还可以吸附氢气分子，从而改善硼氢化锂的动力学性能。在储氢机制理论计算方面，基于第一性原理和分子动力学等理论模拟方法，研究人员对LiBH4的电子结构、力场和分子动力学等方面的性质进行了深入研究，为深入理解硼氢化锂的储氢机制和优化其储氢性能提供了重要参考信息。

对于缺陷对LiBH4的影响，国外研究聚焦于特定杂质原子取代对其晶体结构和电子态的改变，发现杂质原子与LiBH4中原子的相互作用会影响氢原子的结合能和迁移路径。国内研究则侧重缺陷对LiBH4表面吸附和反应活性的影响，通过理论计算揭示缺陷诱导的表面电荷分布变化对氢气吸附和解离的作用。

尽管取得了一定成果，但当前研究仍存在不足。在实验研究中，对于缺陷引入方式的精确控制以及缺陷浓度与性能关系的定量研究还不够深入，导致难以实现对LiBH4储氢性能的精准调控。在理论计算方面，对复杂缺陷体系的模拟精度有待提高，计算模型与实际材料的契合度还需进一步优化，以更准确地预测和解释实验现象。此外，目前对于缺陷影响LiBH4储氢性能的微观机理尚未形成统一且完善的认识，不同研究之间存在一定的分歧，这也限制了该领域的进一步发展。

1.3研究内容与方法

本文主要研究Mg、Al、Ti原子取代以及Li空位等缺陷类型对LiBH4表面结构和储氢性能的影响。

在研究方法上，采用基于广义梯度近似（GGA）的密度泛函理论，用投影缀加波（PAW）并以平面波为基函数处理原子核及内层电子与价电子的相互作用，用PW91函数描述电子交换相关能。通