項目名稱： 新型高容量儲氫材料的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學問題研究 首席科學家： 朱敏 華南理工大學 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部門： 教育部 一、研究內(nèi)容 本項目針對氫能 規(guī)模應(yīng)用中對 高容量儲氫材料的重大技術(shù)需求，為 發(fā)展 具有高儲氫密度、低操作溫度、可控放氫的儲氫材料 體系 ，從儲氫材料 的 設(shè)計制備 、性能調(diào)控 到系統(tǒng)集成 ，在以下 三個層面上開展相應(yīng)的基礎(chǔ)研究： （ 1） 原子和分子水平層面 ： 從量子化學理論出發(fā)，開展氫與 輕元素 相互作用的計算模擬，建立儲氫材料的成分結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，指導新型儲氫材料的設(shè)計開 發(fā)。 （ 2） 組織結(jié)構(gòu)層面 ： 利用先進的成分、結(jié)構(gòu)測試技術(shù)，揭示儲氫材料成分、結(jié)構(gòu)和儲氫性能的關(guān)系，闡明儲氫材料的吸 /放氫反應(yīng)機理 ，實現(xiàn)對儲氫材料性能的調(diào)控 。 （ 3） 儲氫材料和系統(tǒng)集成層面 ： 發(fā)展新型高容量儲氫材料， 揭示儲氫材料與系統(tǒng)多場耦合的能量傳遞 規(guī)律 及控制 方法，實現(xiàn)可控放氫系統(tǒng)的 集成。 儲氫材料研究的核心問題是在如何獲得高儲氫容量的同時，要兼具優(yōu)良的吸放氫動力學性能。針對此問題我們從以下 三個關(guān)鍵科學問題 入手開展研究 ： （ 1） 氫與材料間相互作用過程中的電子轉(zhuǎn)移和原子 /分子擴散問題 ： 利用能量密度函數(shù)理論、原子勢和分子動力 學等理論對氫與輕元素之間的相互作用進行計算模擬，指導新型儲氫材料 的 成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，闡明其物理 、 化學性質(zhì)和吸 /放氫反應(yīng)機理。 （ 2） 材料的多相和多尺度結(jié)構(gòu)與吸 /放氫過程的熱力學和動力學調(diào)控問題 ： 研究新型儲氫材料的物理、化學制備方法，通過先進的成分和結(jié)構(gòu)分析 方法 ，揭示材料成分、結(jié)構(gòu)和儲氫性能的關(guān)系，實現(xiàn)儲氫材料吸 /放氫過程的熱力學和動力學調(diào)控。 （ 3） 儲氫材料與系統(tǒng)多場耦合的能量傳遞及控制問題 ： 開展儲氫材料與儲氫系統(tǒng)的集成研究， 探索多場耦合條件對輕質(zhì) 儲氫材料和儲氫 系統(tǒng) 性能的影響 規(guī)律和機制， 查明影響 儲氫 材料與 系統(tǒng) 儲放氫過 程傳熱 /傳質(zhì)性能的關(guān)鍵因素 ， 提出 改善儲氫系統(tǒng) 性能 的有效途徑 。 主要研究內(nèi)容包括： 本項目針對上述三個關(guān)鍵科學問題，沿著 高容量儲氫材料設(shè)計 微 觀 結(jié)構(gòu)分析 和調(diào)制 儲氫性能優(yōu)化 儲氫 系統(tǒng)集成的主線 ，系統(tǒng)開展新型儲氫材料 的 基礎(chǔ)科學問題研究， 研發(fā) 具有高儲氫密度、低操作溫度、可控放氫的儲氫材料 體系 。本項目的主要研究內(nèi)容包括： （ 1） 氫與輕金屬體系的相互作用研究 及 新型儲氫材料設(shè)計 和探索 利用能量密度函數(shù)、原子勢和分子動力學等理論對輕質(zhì)金屬及其化合物與氫之間的相互作用進行計算模擬， 建立 新型儲氫材料 的設(shè)計理論 ， 研究 新型儲 氫材料的合成方法 及其 吸 /放氫性質(zhì)和機理， 掌握吸放氫循環(huán)的性能衰退機制及其影響因素， 為 發(fā)展 新型 高容量 儲氫材料體系提供理論依據(jù)和 實驗 基礎(chǔ)。 （ 2）輕金屬基高容量儲氫材料及其多尺度結(jié)構(gòu)與吸 /放氫特性關(guān)系 采用先進的物理和化學方法制備輕金屬氫化物和配位氫化物，并對其進行微觀結(jié)構(gòu)調(diào)制和催化摻雜；針對輕金屬基氫化物建立高能 實驗數(shù)據(jù)采集與分析方法，確定其結(jié)構(gòu)、氫占位、相鄰兩原子之間的鍵長等 晶體 參數(shù)；利用同步輻射 /中子衍射原位表征 吸 /放氫過程中的結(jié)構(gòu) 演變 。揭示 微觀結(jié)構(gòu)、 缺陷 和 多尺度協(xié)同作用與吸 /放氫特性的 關(guān)系，實現(xiàn)對 輕金屬基儲氫 材料吸 /放氫性能的 優(yōu)化 調(diào)控。 （ 3）高容量 低維儲氫材料及其吸 /放氫反應(yīng)的熱力學與動力學 采用多種物理、化學方法探索低維儲氫材料的制備、形態(tài)和尺寸控制及復合組裝；分析 其 成分、晶體結(jié)構(gòu) 和 組織形貌 。 研究低維儲氫材料在吸 /放氫過程中氫的吸附 /解離 、 溶入 /析出等相互作用及原子 /分子擴散機制 和結(jié)構(gòu)演變規(guī)律 。闡明納米尺寸效應(yīng)對材料吸 /放氫 反應(yīng) 熱力學和動力學 的 影響規(guī)律，特別注重材料吸 /放氫過程中熱焓和活化能的調(diào)控。 為 發(fā)展出新的高性能低維儲氫材料體系奠定基礎(chǔ)。 （ 4） 新型輕質(zhì)高容量化合物儲氫材料及其吸 /放氫反應(yīng)機理 探索金屬硼氫化物、氮氫化物和氨基硼烷復合物等輕質(zhì)化合物儲氫材料的制備方法，掌握其結(jié)構(gòu)特征和主要物理化學性質(zhì)，揭示其成分、結(jié)構(gòu)和儲氫特性的相關(guān)性，闡明其吸 /放氫反應(yīng)熱力學和動力學機理，探明吸 /放氫反應(yīng)的速度控制步驟。通過材料組分優(yōu)化、結(jié)構(gòu)調(diào)控、尺度控制、催化劑引入等方法， 優(yōu)化材料的 綜合性能，掌握循環(huán)性能衰退規(guī)律及解決方法， 獲得儲氫量 6新型輕質(zhì)高容量化合物儲氫材料。 （ 5）高容量儲氫材料的可控放氫及氫源系統(tǒng)技術(shù)研究 研究 新型高容量 化學氫化物的熱力學性質(zhì)、熱解 /水解動力學行為與反應(yīng) 機制； 探索有效改善化學氫化物 可控 放氫性能的方法及相關(guān)材料制備技術(shù)。 研究儲氫系統(tǒng)的傳熱 /傳質(zhì)動態(tài)響應(yīng)規(guī)律 。 研究儲氫材料的物理狀態(tài)參數(shù) 與儲氫系統(tǒng) 的儲氫密度、傳熱 /傳質(zhì)性能的對應(yīng)關(guān)系，提高儲氫系統(tǒng) 的能量密度 ， 實現(xiàn) 能量的高效傳遞； 研究 儲氫系統(tǒng)的失效機制 及其改善措施 。 二、預(yù)期目標 本項目的總體目標： 本項目總體研究目標是：在新型高容量儲氫材料的設(shè)計理論、制備技術(shù)、表征方法以及儲氫機理等前沿基礎(chǔ)理論和高水平技術(shù)基礎(chǔ)理論方面取得具有重要影響的研究成果，研制出具有高儲氫密度、低操作溫度、可控放氫的新型儲氫材料 。形成一支具有 國際影響力的儲氫材料研究隊伍， 構(gòu)建儲氫材料及其相關(guān)技術(shù)的國際化研究網(wǎng)絡(luò)與合作科研平臺，推 動我國儲氫材料研究水平進入世界領(lǐng)先行列。 五年預(yù)期目標 : 通過五年的研究工作，預(yù)期在新型高容量儲氫材料的前沿基礎(chǔ)理論和高水平技術(shù)基礎(chǔ)理論方面取得具有重要影響的研究成果。 具體研究成果 體現(xiàn)在 ： (1) 探明氫與輕質(zhì)元素 和相關(guān)化合物 間的相互作用，揭示 輕質(zhì) 高容量儲氫材料的物理和化學性質(zhì)， 發(fā)展 高容量儲氫材料成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計理論，建立 新型輕質(zhì)儲氫材料儲氫性能的預(yù)測方法， 為新型高容量儲氫材料的設(shè)計開發(fā)提供理論依據(jù)。 (2) 發(fā)展新型高容量儲氫材料 的合成制備技術(shù)和測試表征 方法 ； 探明 材料 吸 /放氫過程中氫的吸附、解離和溶入 /析出等相互作用及原子 /分子擴散機制，掌握多尺度效應(yīng)對材料吸 /放氫 反應(yīng) 熱力學和動力學 的 影響規(guī)律； 揭示材料的成分、結(jié)構(gòu)與儲氫性能的關(guān)系，闡明新型高容量儲氫材料的吸 /放氫反應(yīng)機理， 為調(diào)控材料的吸 /放氫性能以及能量的高效傳遞提供理論基礎(chǔ) 和設(shè)計原則 。 (3) 通過材料組分優(yōu)化、結(jié)構(gòu)調(diào)控、尺度控制、催化劑引入等方法， 發(fā)展一系列具有高儲氫密度、低操作溫度、可控放氫的 新型 儲氫材料，其儲氫容量大于6 (4) 發(fā)展新型高容量儲氫材料的可控放氫關(guān)鍵技術(shù)，揭示儲氫 系統(tǒng)多場耦合下的能量傳遞規(guī)律，完善高能量密度儲氫系統(tǒng)的設(shè)計方法，開發(fā) 高能量密度的儲氫系統(tǒng)（系統(tǒng)儲氫密度達到 儲氫材料 容量的 60%以上）。 (5) 預(yù)計五年期間，申請發(fā)明專利 50 項以上，出版專著 2，發(fā)表 錄論文 200 篇以上，研究成果獲得省部級一等獎以上獎勵 1。 人才培養(yǎng)計劃 ： 培養(yǎng)和造就一批中青年學術(shù)帶頭人和學術(shù)骨干，爭取培育教育部 “長江計劃 ”或中科院 “百人計劃 ”學者 1，國家自然科學杰出青年基金獲得者 2 名左右，教育部 “新世紀優(yōu)秀人才計劃 ”2，培養(yǎng)研究生 100 名左右。 科研創(chuàng)新基地建設(shè) ： 在國家 973 計劃項目推動下，構(gòu)建高容量儲氫材料的國際化研究網(wǎng)絡(luò)與合作科研平臺。以建設(shè)省部級以上重點實驗室和工程中心為目標，積極爭取各種資源和力量，建設(shè)國際化、開放 型 的新型高容量儲氫材料技術(shù)創(chuàng)新研究基地。 三、研究方案 1）學術(shù)思路： 隨著對儲氫 材料 性能要求的提高，傳統(tǒng)金屬氫化物儲氫材料及其相關(guān)的研究思路已經(jīng)不能滿足 開發(fā) 新型高容量儲氫材料的要求。 目前 ，除金屬氫化物外，大量的復雜體系，如配位氫化物、化學氫化物、介孔材料等均被納為研究對象 。此外， 對儲氫材料的微觀結(jié)構(gòu)進行多層次設(shè)計 、 引入非平衡結(jié)構(gòu)、多相復合、 添加催化劑已成為提高復雜體系儲氫材料性能的重要手段。因此，發(fā)展高性能儲氫材料必須注重這些新的基本特征。 綜合考慮不同結(jié)構(gòu)層次對儲氫材料性能的影響 ， 本項目的基本學術(shù)思想 如下 ： 首先，從氫與 輕元素及其化合物 的相互作用入手，深入分析氫（包括原子和分子）與材料的鍵合狀態(tài)（包括物理吸附和化學結(jié)合兩類機制）， 計算含輕元素氫化物的電子結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、生成焓等，建立新型輕質(zhì)儲氫材料吸放氫反應(yīng)機理模型， 并 通過材料的成分設(shè)計和結(jié)構(gòu)調(diào)制，發(fā)展高 容量 儲氫材料體系。 第二，考慮材料組織和結(jié)構(gòu)因素對材料儲氫特性的作用。通過 確定 儲氫材料的 結(jié)構(gòu)類型、氫占位、相鄰兩原子之間的鍵長等晶體參數(shù)，揭示材料吸 /放氫過程中的結(jié)構(gòu)演變規(guī)律； 深入研究材料中的缺陷（包括摻雜）、界面、非平衡結(jié)構(gòu)等因素對 其吸 /放氫 熱力學 和 動力學性能的影響， 確立新型高容量 儲氫材料 的 組織結(jié)構(gòu)設(shè)計 原則 。 第三，通過形成多相復合結(jié)構(gòu) 或 低維材料的復合組裝 ，查明 儲氫材料 多相之間 的 相互作用機理 ，揭示材料 吸 /放氫過程中氫的吸附、解離和溶入 /析出等相互作用及原子 /分子擴散機制； 利用 材料的尺度效應(yīng) 和 多相 協(xié)同效應(yīng)等 調(diào)控吸 /放氫反應(yīng)的動力學過程， 改善 儲氫材料的性能。 第四 ， 通過傳熱理論模型計算， 揭示儲氫 系統(tǒng)在吸放氫過程中的傳熱動態(tài)響應(yīng)規(guī)律 ；研究 多場耦合條件對輕質(zhì) 儲氫材料和 儲氫 系統(tǒng) 性能的影響 ， 發(fā)展 以新型輕質(zhì)儲氫材料為工作介質(zhì)的 高密度儲氫系統(tǒng) 。 上述四個 方面 的研究既有各自明確的科學問題和學術(shù)目標，又互相聯(lián)系構(gòu)成一個有機的整體。 2）技術(shù)途徑： 根據(jù)上述學術(shù)思想和擬開展的主要研究內(nèi)容，本項目將主要采取以下技術(shù)途徑開展研究工作： (1) 理論計算：采用第一性原理和分子動力學模擬等方法對氫在儲氫材料中的行為進行計算；分析氫化物 的 鍵合狀態(tài) 、電子結(jié)構(gòu) 和 態(tài)密度 等 ， 著重 研究材料組織結(jié)構(gòu)特征對 不同形態(tài)的氫（離子、原子與分 子） 的 吸 /脫附行為的作用，計算與表征氫在材料的表面、界面以及體相內(nèi)的傳輸 特性 。 (2) 組織 結(jié)構(gòu)分析：運用 X 射線 /中子衍射、電子顯微分析、拉曼光譜、紅外光譜、核磁共振等手段對儲氫材料進行綜合分析和表征；重點研究儲氫材料的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)制、催化修飾、多相復合等結(jié)構(gòu)特征與儲氫性能的關(guān)系。特別 注重 利用中子衍射和同步輻射 技術(shù) 對吸 /放氫過程 的 原位動態(tài)分析，準確認識 材料的 儲氫反應(yīng)機理。 (3) 熱力學和動力學分析：對不同儲氫材料的吸 /放氫反應(yīng)熱力學和動力學進行研究，分析界面、表面、非平衡結(jié)構(gòu)、催化相、多相結(jié)構(gòu)、納米尺寸效 應(yīng)、復合組裝等對吸 /放氫反應(yīng)熱力學和動力學 性能 的影響， 特別 注重材料吸 /放氫過程中熱焓和活化能的調(diào)控，建立復雜體系和多尺度結(jié)構(gòu)儲氫材料的吸 /放氫動力學和熱力學模型 。 (4) 材料制備：采用物理（包括 機械合金化 、等離子體、物理氣相沉積、氣相蒸發(fā)轉(zhuǎn)移等）和 化學合成技術(shù)（包括固固、液固、氣固反應(yīng)技術(shù)等）制備合成新型輕質(zhì)儲氫材料 、 低維結(jié)構(gòu)儲氫材料、新型催化劑； 制備多相復合儲氫材料、進行納米組裝。 通過制備方法及工藝參數(shù)的優(yōu)化，實現(xiàn)對材料微觀結(jié)構(gòu)和儲氫特性的調(diào)控。 (5) 儲氫系統(tǒng)技術(shù)研究：采用非連續(xù)介質(zhì)傳熱理論， 研究含內(nèi)熱源 的 多孔儲氫床體的傳熱特性和動態(tài)響應(yīng)規(guī)律 ； 測定儲氫材料 裝填技術(shù)對系統(tǒng) 儲氫密度和 傳熱 /傳質(zhì)特性 的 影響 規(guī)律，研究 系統(tǒng)失效 機制 ，并對其 安全性能進行準確評價。 3) 創(chuàng)新點與特色： 本項目的特色與創(chuàng)新之處體現(xiàn)在以下四 個 方面： (1) 在材料制備方面，選擇輕質(zhì)元素構(gòu)成體系，制備一系列具有新組成、新結(jié)構(gòu)的高容量氫化物材料、低維結(jié)構(gòu)材料；綜合運用結(jié)構(gòu)調(diào)制、相復合、催化劑摻雜、納米組裝等技術(shù)調(diào)控材料成分與結(jié)構(gòu)；結(jié)合實驗 /計算模擬，發(fā)展新型儲氫材料設(shè)計理論。 (2) 在結(jié)構(gòu)表征方面，注重采用同步輻射和中子衍 射等技術(shù)，原位動態(tài)分析儲氫材料的吸 /放氫過程，結(jié)合理論計算模擬，揭示儲氫材料的吸 /放氫反應(yīng)機理。 (3) 在儲氫性能研究方面，結(jié)合實驗 /理論計算，研究材料組成與微觀結(jié)構(gòu)（包括：表面 /相界面狀態(tài)、結(jié)構(gòu)缺陷、納米尺寸效應(yīng)等）對材料吸 /放氫反應(yīng)熱力學和動力學性能的影響和機制，發(fā)展改善材料儲氫綜合性能的原理和方法。 (4) 在儲氫系統(tǒng)設(shè)計方面，基于對材料裝填密度、換熱器結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)應(yīng)力場分布等影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素的深入研究，闡明儲氫系統(tǒng)多場耦合下的傳熱 /傳質(zhì)規(guī)律，完善高能量密度儲氫系統(tǒng)的設(shè)計原理。 4）可行性分析 ： 本項目的學術(shù)思想和研究內(nèi)容是在全面深入分析儲氫材料研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，準確把握儲氫材料研究的 未來 發(fā)展趨勢，充分考慮我國儲氫材料研究的工作特色而提出的。項目組成員 多為 國內(nèi)該領(lǐng)域具有重要影響的中青年學術(shù)骨干，長期從事儲氫材料的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用開發(fā)，在儲氫材料的制備合成、結(jié)構(gòu)表征、吸放氫性能測試及儲氫機理分析等方面具有扎實的理論基礎(chǔ)和從事學科交叉課題研究的 豐富 工作經(jīng)驗 ，擁有廣泛 的國際合作研究經(jīng)歷， 具有良好 的工作基礎(chǔ)。已經(jīng)主持完成了一批與本項目密切相關(guān)的基礎(chǔ)研究項目，并取得具有重要 國際 影響的基礎(chǔ)研究 成果。因此，本 項目的實施完全有 可能 在高容量儲氫材料研究方面 取得重大突破，實現(xiàn) 預(yù)期研究 目標。 本項目擬采用的材料制備、結(jié)構(gòu) 分析 和性能表征等 方法 在新型高容量輕質(zhì)儲氫材料體系的 前期 研究中已經(jīng)被證明有效、可行。在材料制備方面，本項目研究擬采用 的 物理 、 化學合成技術(shù)均已 得到廣泛應(yīng)用 ，例如采用固相和液相反應(yīng)并行的方法合成具有新結(jié)構(gòu)、新組成的堿金屬或堿土金屬硼氮復合氫化物。在組織結(jié)構(gòu)表征方面，本項目將采用 譜、核磁、紅外、拉曼、中子衍射和同步輻射技術(shù)等對相結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、反應(yīng)過程等進行分析，為機理解釋提供實驗依據(jù)。在計算模擬方面，項目參加單位南開大學擁有運算速度達到每秒 “南開之星 ”，并安裝了國際上通行的商業(yè)(免費 (序包，能夠為儲氫材料的電子結(jié)構(gòu)、能級狀 態(tài)的理論研究和模型建立提供高水平的研究平臺。 此外 ，北京大學的北京分子科學國家（聯(lián)合）實驗室和稀土材料化學及應(yīng)用國家重點實驗室；中科院大連化學物理研究所的大連潔凈能源國家實驗室、催化基礎(chǔ)國家重點實驗室、分子反應(yīng)動力學國家重點實驗室和燃料電池及氫源技術(shù)國家工程研究中心；中科院沈陽金屬所的沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室；南開大學的 化學國家重點一級學科、元素有機化學國家重點實驗室和高效儲能教育部工程研究中心 以及華南理工大學 的 材料科學與工程國家重點一級學科 、 金屬材料成形與裝備教育部工程研究中心 、 特種功能材料教育部重 點實驗室和浙江大學的材料科學與工程國家重點一級學科可以為本 項目 的實施提供國際一流的研究環(huán)境和設(shè)施 。 因此，本項目組具備了完成預(yù)定目標和計劃的條件。 四、年度計劃 年度計劃 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標 第 一 年 （ 1 ） 基 于 第 一 性 原 理 ， 利 用法以及密度泛函理論方法研究氫與輕質(zhì)元素和相關(guān)化合物間的相互作用。建立相關(guān)的基本數(shù)據(jù)庫，解決什么樣的交換關(guān)聯(lián)勢和基函數(shù)能準確而有效地描述 集儲氫材料的熱力學和動力學數(shù)據(jù)并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫；對新型輕質(zhì)金屬氫化物 的設(shè)計和性能模擬計算，篩選一些能夠具有優(yōu)良輕質(zhì)金屬氫化物，并對其性質(zhì)進行理論和計算。 （ 2） 采用水熱法、溶膠凝膠法、等離子體、化學氣相沉積、 化學鍍、 氣相蒸發(fā)轉(zhuǎn)移等物理和 化學合成技術(shù)制備篩選的 輕金屬氫化物、配位氫化物 和 多相復合儲氫材料 ；探索輕質(zhì)元素及復合物的納米顆粒、納米空心球、納米線、納米管等低維儲氫材料的制備、形態(tài)和尺寸控制 。 （ 3） 利用 X 射線 /中子衍射 、電子顯微分析、拉曼光譜、紅外光譜、核磁共振 和 同步輻射及其原位分析 技術(shù)， 對 制備的 儲氫材料進行綜合分析和表征； 初步 探討 化合物中 各元素與 H 間的鍵合狀態(tài)和作用機 制 。 （ 4） 檢測制備的儲氫材料 吸 /放氫行為 ，計算其吸放氫反應(yīng)熱力學 ；嘗試調(diào)變輕質(zhì)化合物儲氫材料的熱力學穩(wěn)定性。 （ 5） 建立可靠評價儲氫材料有效傳熱與儲氫容量關(guān)系的方法；建立描述儲氫材料 氫壓、容量與反應(yīng)熱 焓關(guān)系 的數(shù)學模型。 （ 1） 分析輕質(zhì)金屬及其化合物的鍵合狀態(tài)、電子結(jié)構(gòu)和態(tài)密度等，探明材料組織結(jié)構(gòu)特征對不同形態(tài)的氫（離子、原子與分子）的吸 /脫附行為的作用。 （ 2） 研究其制備多種低維高容量儲氫材料的新型制備方法的最佳實驗條件，并實現(xiàn)形貌、微觀結(jié)構(gòu)可控；制備出 1 高容量輕金屬基儲氫材料； （ 3） 揭示不同狀態(tài) 下材料結(jié)構(gòu)、原子占位、應(yīng)變等變化規(guī)律及吸 /放氫反應(yīng)機理 ； （ 4） 揭示儲氫材料的微觀結(jié)構(gòu)調(diào)制、催化修飾、多相復合 以及元素替代 等結(jié)構(gòu)特征與儲氫性能的關(guān)系； （ 5） 確定儲氫材料 有效傳熱與儲氫容量的關(guān)聯(lián)；建立描述儲氫材料傳熱傳質(zhì)性能的 數(shù)學模型。 （ 6） 發(fā)表 錄論文30 篇，申請發(fā)明專利 5養(yǎng)研究生約 15 名。 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標 第 二 年 （ 1） 對堿金屬或堿土金屬氨基物、 氫化物和硼氮復合氫化物進行氫與化合物元素的相互作用的理論計算 ； 對其儲氫的熱力學和動力學性質(zhì)進行模擬計算； 設(shè)計新型的氨基物、硼氫化物和 復 合氫化物、 展高容量儲氫材料成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計理論； （ 2） 對設(shè)計進行驗證，探索新的合成方法，采用化學法及物理方法制備輕質(zhì)元素及化合物的核殼（ 合結(jié)構(gòu) 、 輕金屬氫化物和配位氫化物 ；對 材料 的微觀結(jié)構(gòu)進行調(diào)制，摻雜催化相，進行納米約束。得到具有不同的形態(tài)、分布、結(jié)構(gòu)尺度、非平衡態(tài)結(jié)構(gòu)等微觀組織結(jié)構(gòu)特征的儲氫體系 ；嘗試具有納米結(jié)構(gòu)的低維高容量儲氫材料的復合組裝 和 單晶生長等； 優(yōu)化催化劑制備及后處理條件，制備高效、廉價負載型過渡金屬催化劑； （ 3） 對粉末譜儀增添低溫、高壓等附屬測量環(huán)境，改進 低本底樣品盒及充氫（氘）裝置； 分析和計算氫在 樣品中的分布、價態(tài)情況、與其它元素的相互作用、傳輸過程 ； （ 4） 對制備的樣品進行儲氫熱力學和動力學性質(zhì)測量、考察其機理；分析界面、表面、非平衡結(jié)構(gòu)、催化相、多相結(jié)構(gòu)、納米尺寸效應(yīng)、復合組裝等對吸 /放氫反應(yīng)熱力學和動力學性能的影響，特別注重材料吸 /放氫過程中熱焓和活化能的調(diào)控。 （ 5） 以 傳熱傳質(zhì)性能 數(shù)學模型為基礎(chǔ) ，計算模擬 儲氫材料床體吸放氫過程中的傳熱傳質(zhì)性能。 （ 1） 計算與表征氫在材料的表面、界面以及體相內(nèi)的傳輸特性，揭示輕質(zhì)高容量儲氫材料的物理和化學性質(zhì)，發(fā)展高 容量儲氫材料成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計理論 。 （ 2） 探索高容量儲氫材料的合成方法 ， 發(fā)展儲氫材料的合成制備 過程中的 形態(tài)和尺寸控制及納米復合組裝新技術(shù) ， 初步篩選出性能優(yōu)異的金屬氫化物和配位氫化物材料 。 （ 3） 使得改進低本底樣品盒及充氫（氘）裝置能滿足原位表征環(huán)境的要求 ； 發(fā)展 測試表征方法， 原位分析成分、晶體結(jié)構(gòu) 的變化過程 。 （ 4） 揭示含硼氫化物材料成分、結(jié)構(gòu)與熱解放氫性能間的內(nèi)在關(guān)聯(lián) ，使其室溫催化產(chǎn)氫速率 10L催化劑 )； 建立復雜體系和多尺度結(jié)構(gòu)儲氫材料的吸 /放氫動力學和熱力學模型； （ 5） 完成對 儲 氫材料床體吸放 氫過程熱場及傳質(zhì)性能的數(shù)值模擬；預(yù)測不同條件下儲氫系統(tǒng)傳熱與傳質(zhì)特性； （ 6） 發(fā)表 錄論文40 篇左右，申請發(fā)明專利 10件 ，培養(yǎng)研究生約 20 名 。 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標 第 三 年 （ 1） 對輕質(zhì)金屬氫化物、金屬配合物（氨基化合物、鋁氫化物、硼氫化物等）、 氫的熱力學和動力學計算，研究氫氣的吸附和在晶體中的擴散行為； （ 2） 通過制備方法及工藝參數(shù)的優(yōu)化，實現(xiàn)對上述 篩選的性能優(yōu)異金屬氫化物和配位氫化物材料 微觀結(jié)構(gòu)和儲氫特性的調(diào)控 ；研制高儲氫密度、低操作溫度、可 控放氫的新型儲氫材料， 制備新型氨硼烷基固相激活體系，并研究其可控放氫性能和再生技術(shù) ，合成 相應(yīng)的 催化劑 。 （ 3） 通過結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)確定輕質(zhì)元素的二元和多元新氫化物的結(jié)構(gòu)類型、原子占位、相鄰兩原子之間的鍵長等晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)和基本特征；對改良的粉末譜儀繼續(xù)進行完善。 （ 4） 測定吸氫 /放氫反應(yīng)的熱力學和動力學特性； 研究低維儲氫材料在吸 /放氫過程中氫的吸附、解離和溶入 /析出等相互作用，揭示氫在低維結(jié)構(gòu)下原子 /分子傳輸、擴散及反應(yīng)特性 ,同時對低維儲氫材料吸 /放氫過程的組織變化進行分析，探索提高其穩(wěn)定性的途徑 ;表征催化劑在熱 力學和動力學上對氫吸收和釋放的能量勢壘的影響、探討催化理論。 （ 5） 在理論模擬預(yù)測的基礎(chǔ)上， 研制滿足粉體床換熱要求的 換熱器件；研制滿足傳熱與傳質(zhì)性能要求的可逆儲氫系統(tǒng)原型。 （ 1） 探明材料吸 /放氫過程中氫的吸附、解離和溶入 /析出等相互作用及原子 /分子擴散機制 。 （ 2） 結(jié)合新型儲氫材料的設(shè)計理論，選擇輕質(zhì)元素構(gòu)成體系，篩選出性能優(yōu)異的金屬氫化物和配位氫化物材料， 制備出高效、廉價的配位氫化物、 鎂基儲氫材料和相應(yīng)的催化劑，儲氫量達到 上 ； （ 3） 建立較為完善的實驗數(shù)據(jù)采集與分析處理方法，得到包括 體結(jié)構(gòu)精修等數(shù)據(jù)和分析結(jié)果 ； （ 4） 獲得高容量儲氫材料結(jié)構(gòu)與性能的調(diào)控，建立復雜體系和多尺度結(jié)構(gòu)儲氫材料的吸 /放氫動力學和熱力學模型；闡明低維儲氫材料的吸 /放氫熱力學、動力學和結(jié)構(gòu)演變規(guī)律 ； 提出氨硼烷化合物的熱解反應(yīng)路徑與放氫機制模型；確定含硼化學氫化物再生的可能性與可行性； （ 5） 確定改善儲氫系統(tǒng)傳熱傳質(zhì)性能的優(yōu)選方法；實驗驗證并完善儲氫材料傳熱與傳質(zhì)模型。 （ 6） 發(fā)表 錄論文45 篇左右，申請發(fā)明專利 10件 ，培養(yǎng)研究生 25 名左右。 年度 研究內(nèi)容 預(yù)期目標 第 四 年 （ 1） 對低維儲氫材料 的儲氫性質(zhì)進行計算 和預(yù)測； 計算 晶體結(jié)構(gòu)、孔徑大小、位點、比表面積對儲氫性質(zhì)的影響，設(shè)計和合成最佳的 料，對其儲氫的熱力學和動力學性質(zhì)進行測試和理論分析； （ 2）探討外 場所誘導的儲氫特性 和外 場下材料儲氫的熱力學和動力學； 探討氫在儲氫材料及相關(guān)催化材料體相、表面、界面的吸（脫）附行為及其物理、化學變化機制 ；通過對 合成的低維儲氫材料儲氫性質(zhì)測量，探索樣品的尺寸大小、形貌、比表面積和孔徑分布對儲氫性質(zhì)的影響規(guī)律 ，修正計算結(jié)果 ； （ 3） 檢測所篩選的性能優(yōu)異的金屬氫化物和配位氫化物材料的循環(huán)特性，并探 討其影響因素 ； 探明材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和儲氫特性隨體系的化學組成，幾何結(jié)構(gòu) 以及微觀結(jié)構(gòu)組元（相結(jié)構(gòu)、缺陷、界面、相分布） 等因素 的變化規(guī)律 ； 闡明納米尺寸效應(yīng)對材料吸 /放氫的熱力學和動力學影響規(guī)律 ； 分析低維儲氫材料微觀結(jié)構(gòu)與其吸 /放氫熱力學參數(shù)、動力學反應(yīng)速率、反應(yīng)常數(shù)間的關(guān)聯(lián)性。 （ 4）進一步 協(xié)同改善含硼氫化物的熱解放氫動力學與熱力學，研究氨硼烷基儲氫材料的 固相激活 機制，研究含硼氫化物催化水解反應(yīng)動力學規(guī)律； （ 5） 研制高能量密度氫源系統(tǒng)原型；研究系統(tǒng)充放氫過程應(yīng)力應(yīng)變和溫度場下的傳質(zhì)行為；研究儲氫系統(tǒng)的 失效機制 與改進方法。 （ 1） 根據(jù)新型儲氫材料吸放氫行為，建立新型輕質(zhì)儲氫材料吸 放氫反應(yīng)機理模型； 闡明新型高容量儲氫材料的吸 /放氫反應(yīng)機理， 為調(diào)控材料的吸 /放氫性能以及能量的高效傳遞提供理論基礎(chǔ) 和設(shè)計原則 。 （ 2） 闡明 氨硼烷基儲氫材料的固相激活機制 ， 揭示含硼氫化物催化水解反應(yīng)動力 學規(guī)律；制備出具有優(yōu)異可控熱解放氫性能的氨硼烷基儲氫材料，實現(xiàn)溫和溫度下 放氫容量 6 ； （ 3）探討新型儲氫材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，掌握吸放氫循環(huán) 性能衰退機制及其影響因素 ； （ 4） 揭示材料 成分、結(jié)構(gòu)與儲氫性能的關(guān)系， 探明成分、晶體結(jié)構(gòu)、尺 寸、形貌、外場作用對儲氫性質(zhì)的影響規(guī)律