以第一原理計算探討缺陷、硼摻雜石墨烯和非晶質碳的儲氫效果和氫溢流機制

Abstract

發展氫能為全球先進國家重點發展的綠能科技之一，而氫能在使用上最重要的問題就在於儲存裝置的選擇。碳材料由於有成本較低、較為便宜等優異特性，已有許多研究利用碳材料來進行儲氫實驗，但物理吸附的方式在室溫下會難以達到較高的儲氫量。後來有許多研究提出，可以利用氫溢流機制來提升室溫下的儲氫量。而本研究會利用第一原理來探討碳材料系統的儲氫效果以及氫溢流機制。 在本研究的第一部分，我們建構含有不同缺陷結構的單層石墨烯以及非晶質石墨烯來探討這些系統的儲氫效果以及氫溢流行為。我們的結果顯示，在石墨烯系統中，缺陷對於氫分子的物理吸附沒有太大的影響。對於氫原子吸附而言，石墨烯中有缺陷存在則是可以增強碳材料跟氫之間的交互作用，但儲氫量並不一定會隨著空位缺陷尺寸越大而等比例上升。我們也發現當結構中存在越大尺寸的空位缺陷，尤其是八環以上的大環缺陷結構，能有效提升碳材料系統的儲氫效果，並且在這些缺陷結構中，若是有發生碳和碳的鍵結旋轉，則可以增加系統的可逆儲氫量。另外我們也發現對於碳材料系統，吸附氫原子會對結構產生應力的影響，而非晶質石墨烯的系統和含缺陷的石墨烯系統相比有較高的儲氫量，是因為非晶質石墨烯結構較軟，較能夠釋放因吸附氫原子而產生的應力，因此儲氫效果較佳。最後我們發現在純石墨烯系統沒辦法發生氫溢流的現象，並會有催化劑在儲氫過程中脫附的情形，而當有缺陷存在時，則能夠穩定催化劑在材料表面的鍵結，防止在儲氫過程中脫附，並也會使系統能夠發生氫溢流的現象。 在本研究的第二部分，我們利用純石墨烯、含缺陷石墨烯以及非晶質石墨烯來進行硼摻雜，並利用這些系統來探討儲氫效果以及氫溢流的行為。從研究結果顯示，在純石墨烯和非晶質石墨烯系統摻雜硼時，對於氫分子的物理吸附都沒有太大的影響。而當純石墨烯的結構中有硼摻雜時，能夠增強基材和氫原子之間的交互作用，此部分也利用不同濃度的硼以及相同濃度但不同的摻雜組態來探討儲氫行為，發現只有在特定的硼摻雜組態才能吸附氫原子，因此在純石墨烯的系統中，吸附氫原子會受到硼的組態所影響。並探討硼摻雜對於結構穩定性的影響，發現當硼摻雜的組態會破壞原先純石墨烯系統的π電子共振而讓電子態從延展態變為局域態時，在此狀況下就能吸附氫原子。而在含缺陷的石墨烯系統有硼摻雜時，則是可以減少不可逆的碳氫鍵結，讓系統的可逆儲氫量提升。在非晶質石墨烯系統摻雜硼時則是能夠有效提升系統的儲氫量，並且儲氫量會隨摻雜的硼原子數量越多而等比例上升。最後利用硼摻雜非晶質石墨烯系統來探討氫溢流行為，發現在非晶質石墨烯有硼摻雜時，和沒有摻雜硼的非晶質石墨烯相比，能夠更加穩定催化劑在基材上的鍵結，且也能夠更早發生氫溢流的現象，能更好地防止催化劑在儲氫的過程中發生脫附剝落的現象。