【基金標書】2010CB631300-新型高容量儲氫材料的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學問題研究

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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-2014 年 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 XRD 和 XAFS 等實驗數(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。闡明納米尺寸效應對材料吸/放氫反應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 反應熱力學和動力學機理，探明吸/ 放氫反應的速度控制步驟。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>6wt％的新型輕質(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。五年預期目標: 通過五年的研究工作，預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，掌握多尺度效應對材料吸/放氫反應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 wt%。(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) 預計五年期間，申請發(fā)明專利 50 項以上，出版專著 2-4 本， 發(fā)表 SCI 收錄論文 200 篇以上，研究成果獲得省部級一等獎以上獎勵 1-3 項。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 1-2 名，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”2-3 名，培養(yǎng)研究生 100 名左右?？蒲袆?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和多相 協(xié)同效應等調(diào)控吸/ 放氫反應的動力學過程，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、復合組裝等對吸/放氫反應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、納米尺寸效應等）對材料吸/ 放氫反應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)均已得到廣泛應用，例如采用固相和液相反應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 SEM、TEM、XRD、光 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3.231萬億次的高性能計算機—“南開之星” ，并安裝了國際上通行的商業(yè)(VASP)及免費(PWSCF、Abinit、DACAPO、CASINO、 SIESTA)程序包，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 預期目標第一年（1）基于第一性原理，利用 Hartree-Fock方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 H2 與什么樣的輕質(zhì)材料之間的相互作用。收集 儲氫材料的熱力學和動力學數(shù)據(jù)并建立相應的數(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 1-2 種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、應變等變化規(guī)律及吸/放氫反應機理；（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 SCI 收錄論文30 篇，申 請發(fā)明專利 5-10項，培養(yǎng)研究生約 15 名。年度 研究內(nèi)容 預期目標第二年（1）對堿金屬或堿土金屬氨基物、MOFs 、硼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、 MOFs，發(fā)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（core-shell）復合 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、復合 組裝等對吸/放氫 反應熱 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?min -1?g-1 (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；預測不同條件下儲氫系統(tǒng)傳熱與傳質(zhì)特性；（6）發(fā)表 SCI 收錄論文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）、 MOFs 的復合體系進行氫與化合物元素作用的理論計算，儲氫 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的催化劑，儲氫量達到6.0wt%以上；（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XRD、XAFS，Rietveld 晶體結(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 SCI 收錄論文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)進行計算和預測；計算 MOFs 的晶體 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 MOFs 材料，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)、 動力學反應速率、反應常數(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)充放氫過程應力應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機理模型；闡明新型高容量儲氫材料的吸/放氫反應機理，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 wt.%； （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；揭示微觀結(jié)構(gòu)組元特征的多尺度協(xié)同作用對儲氫性能影響的規(guī)律；（5）開發(fā)出重量儲氫效率不低于材料儲氫容量50%的高能量密度氫源系統(tǒng)原型；確定儲氫系統(tǒng)失效機制。（6）發(fā)表 SCI 收錄論文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 預期目標第五年（1）進一步研究新型化學儲氫材料的氫氣吸附、分解、擴 散和儲存的過程和機理，分析在吸放氫過程中氫原子的化學環(huán)境和價態(tài)變化、兩相混合程度在循環(huán)吸放 氫過程中的變化以及催化劑的成分及價態(tài)變化；同位素取代分析吸放氫產(chǎn)物的影響；結(jié)合密度泛函理論進行晶體結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)的計算，為提高儲氫容量和可逆循環(huán)特性、降低工作溫度提供理論指導和方法；同時探索其它物理儲氫材料；（2）對所篩選的性能優(yōu)異的輕金屬氫化物和配位氫化物材料進行吸放氫循環(huán)過程中影響因素的多水平綜合實驗；通過對制備方法、工藝參數(shù)及微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、 多相復合、催化劑、尺寸大小、形態(tài)、缺陷等因素的 綜合作用實現(xiàn)對輕金屬氫化物和配位氫化物材料微觀結(jié)構(gòu)、吸放氫特性和循環(huán)壽命的 調(diào)控；完成輕質(zhì)化合物儲氫材料性能優(yōu)化的研究。（3）發(fā)展新型高容量儲氫材料的可控放氫關(guān)鍵技術(shù)，完善氨硼烷基儲氫 材料的熱解放氫機制與固相激活機制，改善含硼氫化物的可控熱解放氫性能；優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計及水解反應條件，研發(fā)實用型可控制 氫裝置；（4）完善儲氫材料的氫氣吸附/脫附、氫與輕質(zhì)元素的作用、氫在樣品中的 擴散、催化 劑作用的理論，完善儲氫材料 熱力學和動力學性質(zhì)數(shù)據(jù)庫；系統(tǒng)總結(jié)氫與輕質(zhì)元素和相關(guān)化合物間相互作用、材料成分和 結(jié)構(gòu)設(shè)計理論。（5）優(yōu)化氫源系統(tǒng)設(shè)計與加工方法，獲得高能量密度和可靠的氫源系統(tǒng)原型。（1）完善儲氫材料的理論計算和設(shè)計方法，揭示儲氫系統(tǒng)多場耦合下的能量傳遞規(guī)律。（2）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，調(diào)控高容量低維儲氫材料結(jié)構(gòu)與性能，研發(fā)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，獲得儲氫量>6wt％的新型輕質(zhì)高容量化合物儲氫材料，使其放氫溫度在 150 oC 左右。（3）發(fā)展新型高容量儲氫材料的可控放氫關(guān)鍵技術(shù)，揭示協(xié)同改善含硼氫化物熱力學與放氫動力學的有效途徑；制得溫和操作溫度（6wt%，>45 g H2/L，氫氣純度>99%）的新型含硼儲氫材料；（5）開發(fā)出重量儲氫效率不低于材料儲氫容量60%的高能量密度氫源系統(tǒng)原型；（6）發(fā)表 SCI 收錄論文45 篇左右，申請發(fā)明專利10 件，培養(yǎng)研究生 25 名左右。