【基金标书】2010CB631300-新型高容量储氢材料的关键基础科学问题研究.doc

项目名称:
新型高容量储氢材料的关键基础科学问题研究
首席科学家:
朱敏华南理工大学
起止年限:
2010年1月-2014年8月
依托部门:
教育部
一、研究内容
本项目针对氢能规模应用中对高容量储氢材料的重大技术需求,为发展具有高储氢密度、低操作温度、可控放氢的储氢材料体系,从储氢材料的设计制备、性能调控到系统集成,在以下三个层面上开展相应的基础研究:
原子和分子水平层面:
从量子化学理论出发,开展氢与轻元素相互作用的计算模拟,建立储氢材料的成分结构设计理论,指导新型储氢材料的设计开发。
组织结构层面:
利用先进的成分、结构测试技术,揭示储氢材料成分、结构和储氢性能的关系,阐明储氢材料的吸/放氢反应机理,实现对储氢材料性能的调控。
储氢材料和系统集成层面:
发展新型高容量储氢材料,揭示储氢材料与系统多场耦合的能量传递规律及控制方法,实现可控放氢系统的集成。
储氢材料研究的核心问题是在如何获得高储氢容量的同时,要兼具优良的吸放氢动力学性能。针对此问题我们从以下三个关键科学问题入手开展研究:
氢与材料间相互作用过程中的电子转移和原子/分子扩散问题:
利用能量密度函数理论、原子势和分子动力学等理论对氢与轻元素之间的相互作用进行计算模拟,指导新型储氢材料的成分和结构设计,阐明其物理、化学性质和吸/放氢反应机理。
材料的多相和多尺度结构与吸/放氢过程的热力学和动力学调控问题:
研究新型储氢材料的物理、化学制备方法,通过先进的成分和结构分析方法,揭示材料成分、结构和储氢性能的关系,实现储氢材料吸/放氢过程的热力学和动力学调控。
储氢材料与系统多场耦合的能量传递及控制问题:
开展储氢材料与储氢系统的集成研究,探索多场耦合条件对轻质储氢材料和储氢系统性能的影响规律和机制,查明影响储氢材料与系统储放氢过程传热/传质性能的关键因素,提出改善储氢系统性能的有效途径。
主要研究内容包括:
本项目针对上述三个关键科学问题,沿着高容量储氢材料设计→微观结构分析和调制→储氢性能优化→储氢系统集成的主线,系统开展新型储氢材料的基础科学问题研究,研发具有高储氢密度、低操作温度、可控放氢的储氢材料体系。本项目的主要研究内容包括:
(1)氢与轻金属体系的相互作用研究及新型储氢材料设计和探索
利用能量密度函数、原子势和分子动力学等理论对轻质金属及其化合物与氢之间的相互作用进行计算模拟,建立新型储氢材料的设计理论,研究新型储氢材料的合成方法及其吸/放氢性质和机理,掌握吸放氢循环的性能衰退机制及其影响因素,为发展新型高容量储氢材料体系提供理论依据和实验基础。
(2)轻金属基高容量储氢材料及其多尺度结构与吸/放氢特性关系
采用先进的物理和化学方法制备轻金属氢化物和配位氢化物,并对其进行微观结构调制和催化掺杂;针对轻金属基氢化物建立高能XRD和XAFS等实验数据采集与分析方法,确定其结构、氢占位、相邻两原子之间的键长等晶体参数;利用同步辐射/中子衍射原位表征吸/放氢过程中的结构演变。揭示微观结构、缺陷和多尺度协同作用与吸/放氢特性的关系,实现对轻金属基储氢材料吸/放氢性能的优化调控。
(3)高容量低维储氢材料及其吸/放氢反应的热力学与动力学
采用多种物理、化学方法探索低维储氢材料的制备、形态和尺寸控制及复合组装;分析其成分、晶体结构和组织形貌。研究低维储氢材料在吸/放氢过程中氢的吸附/解离、溶入/析出等相互作用及原子/分子扩散机制和结构演变规律。阐明纳米尺寸效应对材料吸/放氢反应热力学和动力学的影响规律,特别注重材料吸/放氢过程中热焓和活化能的调控。
为发展出新的高性能低维储氢材料体系奠定基础。
(4)新型轻质高容量化合物储氢材料及其吸/放氢反应机理
探索金属硼氢化物、氮氢化物和氨基硼烷复合物等轻质化合物储氢材料的制备方法,掌握其结构特征和主要物理化学性质,揭示其成分、结构和储氢特性的相关性,阐明其吸/放氢反应热力学和动力学机理,探明吸/放氢反应的速度控制步骤。通过材料组分优化、结构调控、尺度控制、催化剂引入等方法,优化材料的综合性能,掌握循环性能衰退规律及解决方法,获得储氢量>6wt%的新型轻质高容量化合物储氢材料。
(5)高容量储氢材料的可控放氢及氢源系统技术研究
研究新型高容量化学氢化物的热力学性质、热解/水解动力学行为与反应机制;探索有效改善化学氢化物可控放氢性能的方法及相关材料制备技术。研究储氢系统的传热/传质动态响应规律。研究储氢材料的物理状态参数与储氢系统的储氢密度、传热/传质性能的对应关系,提高储氢系统的能量密度,实现能量的高效传递;研究储氢系统的失效机制及其改善措施。
二、预期目标
本项目的总体目标:
本项目总体研究目标是:在新型高容量储氢材料的设计理论、制备技术、表征方法以