沸石模板碳材料的储氢性能分子模拟研究开题报告

 2020-02-20 09:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

为解决环境与能源问题, 氢能作为一种理想的二次能源, 受到国内外研究者的关注. 众多储氢方式中, 固态储氢能量密度高、安全性好, 被认为是最具有发展前景的储氢方式之一.固态储氢主要包括物理吸附储氢和化学吸附储氢. 其中化学吸附由于材料释氢温度过高其应用受到限制。物理吸附储氢主要是氢气以分子形式吸附在材料表面. 这类材料要求具有很大的比表面积, 常见的储氢材料有活性碳、碳纳米管、柱撑石墨烯、金属有机框架(mofs)材料等。沸石模板碳材料(ztcs)因具备较高的比表面积、自由孔体积和化学稳定性而在气体储存、气体分离与催化等领域具有潜在应用价值。

多孔碳材料由于具有较大的比表面积,容量和许多特殊性能,在气体分离、催化、能量储存等方面得到广泛应用,近年来为了得到具有均一孔结构的多孔炭,用于吸附机理的研究或一些特殊应用场合,采用结构均一的沸石分子筛为模板,制备多孔碳材料,由于模板法制备的碳材料结构规整,孔径均一,收率高,受到研究者重视。吴选军课题组前期曾提出通过将乙炔插入多孔材料的有机连接体中,可以显著增强储氢,为研究增强机制,开发了类金刚石丁二炔(dda),其储氢性能大大超过先前报道的金属有机框架材料(mofs)或多孔芳香骨架材料(pafs),通过分析dlcas中乙炔位置对其储氢能力的影响,发现dda的高氢吸附性能主要归因于其高表面积,大量吸附位点和适当的结合能。libh4,配位氢化物因具有高达18.5 wt%的质量储氢密度和121kg h2/m3的体积储氢密度而成为目前高容量储氢材料的研究热点,但其存在的热力学稳定性较高、吸放氢动力学缓慢、可逆吸氢条件苛刻等问题阻碍了它的储氢实用化进程,通过模板法成功合成了具有高机械稳定性与高孔隙率的沸石模板碳(ztcs),将其作为纳米限域框架材料容纳libh4呈现出了更加优良的储氢性能。seokin choi等工作者使用两种不同的沸石结构合成了ztcs,即用于合成β沸石(bea结构)和用于合成nax(fau结构),作为坚实的模板,证明了ztcs型碳具有非常高的h元素含量比起活性炭大一个数量级,ztcs的微孔尺寸分布可以通过控制后合成热处理,导致系统化碳微孔结构的收缩,热量收缩是ztcs型碳材料的独特特征,这是常规活性碳未观察到的,可以看出沸石模板碳材料更具研究价值。

沸石模板碳材料(ztcs)包括通过在沸石模板上化学气相沉积含碳前体合成的相对较新的材料类,然后除去模板。efrem b等工作者目前已经开发了一个理论框架,用于从任何给定的沸石结构生成ztcs模型,可以成功预测已知ztcs的结构,从所有已知的沸石生成ztcs库,可以生成实验可访问的ztcs的标准,并鉴定从未合成过的10多种ztcs。建立了ztcs与具有负高斯曲率的类似tpms的schwarzite碳材料之间的关系。故本课题以文献报导的ztcs材料为研究对象,以材料储氢性能优化为应用目标,主要利用分子力场或第一性原理对材料结构进行优化,然后通过巨正则蒙特卡洛模拟方法计算材料在不同温度下的储氢性能,建立材料结构参数与性能之间的关系;通过对材料储氢机理的分析,探究其作为储氢材料的可能性,为获得高储氢性能的沸石模板材料奠定理论与实践基础。

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2. 研究的基本内容与方案

1. 研究的目标:

以文献报导的ztcs材料为研究对象,以材料储氢性能优化为应用目标, 通过巨正则蒙特卡洛(gcmc)模拟方法计算材料在不同温度下、压力下的储氢性能,对比文献报导实验结果,对材料储氢机理进行分析,讨论其作为储氢材料的可能性。

2. 研究的基本内容:

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3. 研究计划与安排

第1-2周:资料收集、整理,撰写开题报告,完成英文翻译

第3-5周:熟悉gcmc模拟方法与力场参数的修改,掌握沸石模板碳材料分子建模方法

第6-9周: 研究沸石模板碳材料的储氢性能

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] stadie n p , wang s , kravchyk k v , et al. zeolite-templated carbon as an ordered microporous electrode for aluminum batteries[j]. acs nano, 2017, 11(2):1911.

[2] efrem b , yongjin l , mohamad m s , et al. generating carbon schwarzites via zeolite-templating[j]. proceedings of the national academy of sciences, 2018,115(35):116-124.

[3] xuanjun wu, rui wang, hongjun yang, et al. ultrahigh hydrogen storage capacity in novel porous aromatic frameworks [j]. mater. chem. a 2015, 3, 10724–10729.

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