《物理化學雜志C》：硅納米管儲氫率或高于碳納米管

實施氫能運輸的技術關鍵是安全、高效和簡潔。根據美國能源部（DOE）CAR課題組的研究，如果要讓該技術成為現實，現有的儲氫材料系統應該在室溫下提供6%的儲氫質量密度。當前，儲氫方式的研究被認為是解決該問題的最有效途徑。世界各國的研究小組都在尋找和試驗多種材料，這些材料能夠更加簡易、可靠并且安全的吸收和釋放大量的氫氣。其中，一種有效的儲氫介質就是單壁碳納米管。

 圖片說明：硅納米管模型和儲氫能力的模擬研究圖。
（圖片來源：曹達鵬）

然而，碳納米管目前還不能滿足DOE的儲氫目標。這甚至讓DOE作出一項決定，放棄關于不摻雜單壁碳納米管的未來在儲氫車輛上的應用研究。盡管大量的前期研究都集中在儲氫材料的物理吸附方向，但最近的密度功能理論計算表明，單壁碳納米管能夠通過化學吸附使儲氫能力提升到7.5w%。
 
最新的研究帶來了另一個好消息。中國科學家的理論研究表明，硅納米管能夠比同結構的碳納米管具有更高效的儲氫率。這將極可能讓硅在引發微電子革命后，又成為氫能源領域的關鍵材料。相關論文發表在4月24日的《物理化學雜志C》上。
 
領導該項研究的是北京化工大學分子和材料仿真試驗室負責人曹達鵬，他解釋道：“跟碳原子相比，硅材料具有更多的核外電子，使其具有更高的極化率和更強的分散力。根據觀測結果，我們采用了一種多尺度復合理論方法，將第一性原理計算方法和蒙特卡咯積分法綜合，預測了硅納米管在298K、壓力范圍在1到10MPa下的儲氫能力。我們的計算表明，在常規燃料電池功過條件下，硅納米管比碳納米管具有更高的氫吸附效率。”
 
此外，研究人員還發現，納米管的幾何排列和彎曲曲率都將影響氫在硅納米管中的吸收。
 
在2002年利用化學氣相沉積方法成功制備硅納米管之后，研究人員已相繼發展了多種制備硅納米管和有序排列硅納米管的一系列技術和方法。由于硅比碳具有更多的核外電子，使其具有更高的極化率和更強的分散力，科學家認為硅納米管將會比碳納米管具有更強的范德華力。
 
曹達鵬解釋道：“我們的復合計算理論結合第一性原理，獲得了氫和硅納米管之間的結合能，并利用蒙特卡咯積分評估了硅納米管的吸氫能力。可以認為計算結合能是蒙特卡咯積分的有效補充。”
 
雖然是一種新穎的材料，但對于硅納米管還沒有實際的儲氫實驗數據來驗證理論上的計算。因此必須設計并完成大量的實驗來驗證新的理論發現。曹達鵬指出，硅納米管的分離率明顯的影響其儲氫的能力。因此，實際操作中的最大挑戰就是如何制備最優排列的硅納米管材料。（科學網 吳光波 任霄鵬/編譯）
 
（《物理化學雜志C》（The Journal of Physical Chemistry C），112 (14), 5598 -5604, 2008，Jianhui Lan, Daojian Cheng, Dapeng Cao, and Wenchuan Wang）
 
 
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