[論文レビュー] Calcium-Decorated Carbon Nanotubes for High-Capacity Hydrogen Storage

Hoonkyung Lee, Jisoon Ihm+2 more|ArXiv.org|Jan 17, 2009

Hydrogen Storage and Materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、高容量水素貯蔵材料としてカルシウム修飾ボロンドープカーボンナノチューブを提案する。第一原理計算を用いて、個々のCa原子が最大6個のH2分子を約0.2 eV/H2の結合エネルギーで結合可能であることを示し、6 at.% Bドーピング条件下で質量比で約5 wt%の貯蔵容量を達成する。一方、欠陥およびBドーピング部位がCaのクラスタリングを防ぐ。

ABSTRACT

Using first-principles calculations, we perform a search for high-capacity hydrogen storage media based on individually dispersed calcium atoms on doped or defective carbon nanotubes. We find that up to six H2 molecules can bind to a Ca atom each with a desirable binding energy of ~0.2 eV/H2. The hybridization of the empty Ca 3d states with the H2 sigma states contributes to the H2 binding, and Ca clustering is suppressed by preferential binding of Ca atoms to doped boron and defect sites dispersed on carbon nanotubes. We also show that individual Ca-decorated B-doped CNTs with a concentration of ~6 at. % B doping can reach the gravimetric capacity of ~5 wt % hydrogen.

研究の動機と目的

• クリーンエネルギー応用における高質量比水素貯蔵容量を達成するという課題に対処すること。
• 純粋なカーボンナノチューブにおける低水素吸着量および低結合エネルギーという制限を克服すること。
• ドーピングまたは欠陥を有するカーボンナノチューブをアンカーリングサイトとして用いることで、Caのクラスタリングを防ぎ、貯蔵効率を向上させること。
• Ca原子とH2分子間の電子的相互作用を設計することで、水素貯蔵容量を最適化すること。
• 米国エネルギー省の水素貯蔵目標、特に質量比容量を満たす実用的な材料系を同定すること。

提案手法

• Ca原子とカーボンナノチューブの相互作用をモデル化するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を採用した。
• 純粋な、Bドープされた、欠陥を有する単層カーボンナノチューブにおけるCaの結合を体系的かつ系統的に調査した。
• 特にCa 3d状態とH2シグマ軌道の混合状態の変化を分析した。
• 最適な吸着強度（約0.2 eV/H2）を評価するために、H2分子1分子あたりの結合エネルギーを計算した。
• Ca原子1個あたりに結合するH2分子数およびシステム全体の質量に基づき、質量比水素貯蔵容量を評価した。
• 異なる構造配置における結合エネルギーおよび電荷移動の比較を通じて、安定性およびクラスタリング傾向を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピングまたは欠陥を有するカーボンナノチューブ上に存在する個々のCa原子は、望ましい結合エネルギーで複数のH2分子を結合可能か？
• RQ2 実用的なドーピングレベル下で、Ca修飾カーボンナノチューブが達成可能な最大水素貯蔵容量は何か？
• RQ3 Bドーピングまたは欠陥工学がCaのクラスタリングをどのように抑制し、H2結合の安定性を向上させるか？
• RQ4 Ca 3d状態とH2シグマ軌道の間の電子的混合状態が、H2吸着の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 実用的なドーピング濃度下で、質量比水素貯蔵容量が少なくとも5 wt%に達するか？

主な発見

• Bドープまたは欠陥を有するカーボンナノチューブ上に存在する1つのCa原子が、最大6個のH2分子を約0.2 eV/H2の結合エネルギーで結合可能である。
• 空のCa 3d状態とH2シグマ反結合軌道の混合状態が、結合の安定性を高め、複数のH2吸着を可能にする。
• 約6 at.%のボロンドーピング濃度が、質量比水素貯蔵容量を約5 wt%まで向上させ、米国エネルギー省の目標に近づける。
• 欠陥およびBドーピング部位がCa原子を効果的にアンカーリングし、凝集体の形成を防ぎ、高い分散状態を維持する。
• システムは、物理的吸着と化学的吸着の両方のバランスを取るのに適した結合エネルギー（約0.2 eV/H2）を維持しており、可逆的貯蔵が可能である。
• 第一原理計算により、Ca原子がドーピングまたは欠陥部位に局在化している場合、Caのクラスタリングはエネルギー的に不利であることが確認された。