《物理化学杂志C》：硅纳米管储氢率或高于碳纳米管

实施氢能运输的技术关键是安全、高效和简洁。根据美国能源部（DOE）CAR课题组的研究，如果要让该技术成为现实，现有的储氢材料系统应该在室温下提供6%的储氢质量密度。当前，储氢方式的研究被认为是解决该问题的最有效途径。世界各国的研究小组都在寻找和试验多种材料，这些材料能够更加简易、可靠并且安全的吸收和释放大量的氢气。其中，一种有效的储氢介质就是单壁碳纳米管。

 图片说明：硅纳米管模型和储氢能力的模拟研究图。
（图片来源：曹达鹏）

然而，碳纳米管目前还不能满足DOE的储氢目标。这甚至让DOE作出一项决定，放弃关于不掺杂单壁碳纳米管的未来在储氢车辆上的应用研究。尽管大量的前期研究都集中在储氢材料的物理吸附方向，但最近的密度功能理论计算表明，单壁碳纳米管能够通过化学吸附使储氢能力提升到7.5w%。
 
最新的研究带来了另一个好消息。中国科学家的理论研究表明，硅纳米管能够比同结构的碳纳米管具有更高效的储氢率。这将极可能让硅在引发微电子革命后，又成为氢能源领域的关键材料。相关论文发表在4月24日的《物理化学杂志C》上。
 
领导该项研究的是北京化工大学分子和材料仿真试验室负责人曹达鹏，他解释道：“跟碳原子相比，硅材料具有更多的核外电子，使其具有更高的极化率和更强的分散力。根据观测结果，我们采用了一种多尺度复合理论方法，将第一性原理计算方法和蒙特卡咯积分法综合，预测了硅纳米管在298K、压力范围在1到10MPa下的储氢能力。我们的计算表明，在常规燃料电池功过条件下，硅纳米管比碳纳米管具有更高的氢吸附效率。”
 
此外，研究人员还发现，纳米管的几何排列和弯曲曲率都将影响氢在硅纳米管中的吸收。
 
在2002年利用化学气相沉积方法成功制备硅纳米管之后，研究人员已相继发展了多种制备硅纳米管和有序排列硅纳米管的一系列技术和方法。由于硅比碳具有更多的核外电子，使其具有更高的极化率和更强的分散力，科学家认为硅纳米管将会比碳纳米管具有更强的范德华力。
 
曹达鹏解释道：“我们的复合计算理论结合第一性原理，获得了氢和硅纳米管之间的结合能，并利用蒙特卡咯积分评估了硅纳米管的吸氢能力。可以认为计算结合能是蒙特卡咯积分的有效补充。”
 
虽然是一种新颖的材料，但对于硅纳米管还没有实际的储氢实验数据来验证理论上的计算。因此必须设计并完成大量的实验来验证新的理论发现。曹达鹏指出，硅纳米管的分离率明显的影响其储氢的能力。因此，实际操作中的最大挑战就是如何制备最优排列的硅纳米管材料。（科学网 吴光波 任霄鹏/编译）
 
（《物理化学杂志C》（The Journal of Physical Chemistry C），112 (14), 5598 -5604, 2008，Jianhui Lan, Daojian Cheng, Dapeng Cao, and Wenchuan Wang）
 
 
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