[论文解读] Enhanced Hydrogen Storage in Gold-doped Carbon Nanotubes: A first-principles study

Shima Rezaie, David Smeulders+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2022

Hydrogen Storage and Materials被引用 4

一句话总结

这项从头计算研究提出金掺杂碳纳米管（Au-CNTs）是一种高性能可逆储氢材料。通过电荷转移增强结合能并优化管径，Au-CNTs 实现了 154–330 g/L 的体积储氢容量，且脱附温度高于 200 K，超过美国能源部（DOE）的目标。

ABSTRACT

Sorbent materials are a promising alternative to advance hydrogen storage technologies. The general disadvantage is the relatively weak solid-gas interaction and adsorption energy, providing low gravimetric and volumetric capacities and extreme operational conditions. Here we propose Au-doped carbon nanotubes (CNTs) as an efficient alternative for reversible hydrogen capture at high temperatures. This work investigates the properties of several modified CNTs using density functional theory. We analyze the binding and formation energies of the uniformed Au-doped CNTs and assess their adsorption capability. The hydrogen storage mechanisms of the nanostructures are studied in depth using partial density of states and charge transfer analysis showing that the increase of diameter has a positive effect on the outcome. Our findings show that the modified structures are able to capture from six to nine hydrogen molecules per gold atom, achieving volumetric capacities ranging from 154 to 330 g/l, surpassing the DOE target. In addition, the calculated desorption temperatures indicate high performance of Au-doped CNTs, obtaining hydrogen capture-release working conditions above 200 K.

研究动机与目标

• 开发一种高容量、可逆的氢气储存材料，以克服传统吸附剂的局限性。
• 研究金掺杂对碳纳米管电子性质和吸附性能的影响。
• 确定最优结构参数（如管径）以增强氢的结合能力。
• 评估金掺杂碳纳米管的体积和质量储氢容量以及脱附温度。
• 确定在高于 200 K 条件下实现氢气捕集与释放的可行工作条件。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算分析金掺杂碳纳米管的结合能和形成能。
• 进行部分态密度（PDOS）分析，研究金与 H2 分子之间的电子相互作用。
• 开展电荷转移分析，以理解金-碳纳米管界面的成键本质。
• 系统评估不同碳纳米管直径和均匀金掺杂的结构模型。
• 按每个金原子和单位体积计算氢气吸附容量。
• 基于结合能趋势估算热力学脱附温度。

实验结果

研究问题

• RQ1 金掺杂如何影响碳纳米管中氢气的吸附能和容量？
• RQ2 碳纳米管管径对金掺杂体系中氢气结合强度和储氢容量有何影响？
• RQ3 金掺杂碳纳米管能否实现超过美国能源部（DOE）2025 年目标的氢气体积储氢容量？
• RQ4 氢气可在何种温度下从金掺杂碳纳米管中可逆释放？
• RQ5 金原子与氢分子在掺杂碳纳米管中的电荷转移机制是什么？

主要发现

• 每个金原子可捕获六至九个氢分子，显著提升储氢容量。
• 体积储氢容量范围为 154 至 330 g/L，超过美国能源部（DOE）的目标。
• 增大碳纳米管管径可提升氢气吸附容量，原因在于增强了电子相互作用和电荷转移。
• 预测氢气的脱附温度高于 200 K，表明在中等温度下可实现可行的可逆操作。
• 电荷转移分析证实，金原子作为电子供体，通过静电作用和轨道相互作用增强 H2 的结合力。
• 部分态密度（PDOS）分析显示，金的 5d 轨道与氢的 1s 轨道发生杂化，表明存在类似化学吸附的成键行为。