Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tiến bộ gần đây về vật liệu nano lưu trữ hydro kiểu Kubas: từ lý thuyết đến thực nghiệm
Tóm tắt
Các nguyên tử kim loại chuyển tiếp (TM) được biết đến với khả năng hình thành các phức hợp TM-H2, được gọi chung là các phức hợp dihydro Kubas. Các phức hợp TM-H2 được hình thành thông qua sự lai hóa giữa các orbital d của TM với các orbital σ và σ* của H2. Năng lượng hấp thụ của các phân tử H2 trong các phức hợp TM-H2 thường nằm trong khoảng năng lượng cần thiết cho việc lưu trữ H2 đảo ngược ở nhiệt độ phòng và áp suất môi trường (−0.4 ~ −0.2 eV/H2). Do đó, các phức hợp TM-H2 đã được nghiên cứu như các vật liệu lưu trữ hydro kiểu Kubas tiềm năng. Gần đây, các vật liệu nano được trang trí bởi TM đã thu hút nhiều sự chú ý vì khả năng cao và tính đảo ngược hứa hẹn của chúng như các vật liệu lưu trữ hydro kiểu Kubas. Dung lượng lưu trữ hydro của các vật liệu nano được trang trí TM dự kiến có thể lên đến ~9 wt%, phù hợp cho một số ứng dụng trong phương tiện giao thông. Tuy nhiên, trong các cấu trúc nano được trang trí TM, các nguyên tử TM có xu hướng hình thành các cụm do năng lượng liên kết lớn (khoảng 4 eV), dẫn đến sự giảm đáng kể dung lượng lưu trữ hydro. Ngược lại, các nguyên tử Ca có thể hình thành các phức hợp với các phân tử H2 thông qua các tương tác kiểu Kubas. Các nguyên tử Ca gắn với vật liệu nano đã được báo cáo có khả năng hấp thụ nhiều phân tử H2 tương tự như các nguyên tử TM. Các nguyên tử Ca có xu hướng tập hợp ít hơn do năng lượng liên kết nhỏ của Ca khối (1.83 eV), nhỏ hơn nhiều so với năng lượng của các TM khối. Những quan sát này gợi ý rằng các tương tác Kubas có thể xảy ra trong các nguyên tố không có orbital d, từ đó làm cho Ca trở thành một nguyên tố thích hợp hơn để thu hút H2 trong các vật liệu lưu trữ hydro. Gần đây, các vật liệu lưu trữ hydro dựa trên TM kiểu Kubas đã được tổng hợp thực nghiệm, và các tương tác kiểu Kubas được đo đạc cho thấy mạnh hơn các tương tác van der Waals. Trong bài tổng quan này, tiến bộ gần đây của các vật liệu lưu trữ hydro kiểu Kubas sẽ được thảo luận từ cả góc độ lý thuyết và thực nghiệm.
Từ khóa
#vật liệu lưu trữ hydro #phức hợp dihydro Kubas #kim loại chuyển tiếp #cấu trúc nano #tương tác KubasTài liệu tham khảo
L. Schlapbach and A. Zuttel, Nature 414, 353 (2001).
G. W. Crabtree, M. S. Dresselhaus and M. V. Buchanan, Phys. Today 57, 39 (2004).
C. W. Hamilton, R. T. Baker, A. Staubitz and I. Manners, Chem. Soc. Rev. 38, 279 (2009).
V. Guther and A. Otto, J Alloy Compd 293, 889 (1999).
B. Sakintuna, F. Lamari-Darkrim and M. Hirscher, Intern. J. of Hydrogen Energy 32, 1121 (2007).
P. Chen, Z. T. Xiong, J. Z. Luo, J. Y. Lin and K. L. Tan, Nature 420, 302 (2002).
H. Y. Leng, T. Ichikawa, S. Hino, N. Hanada, S. Isobe and H. Fujii, J. Phys. Chem. B 108, 12628 (2004).
A. Zuttel, S. Rentsch, P. Fischer, P. Wenger, P. Sudan, P. Mauron and C. Emmenegger, J. Alloy Compd. 356, 515 (2003).
S. I. Orimo, Y. Nakamori, J. R. Eliseo, A. Zuttel and C. M. Jensen, Chem. Rev. 107, 4111 (2007).
A. C. Dillon, K. M. Jones, T. A. Bekkedahl, C. H. Kiang, D. S. Bethune and M. J. Heben, Nature 386, 377 (1997).
S. Patchkovskii, J. S. Tse, S. N. Yurchenko, L. Zhechkov, T. Heine and G. Seifert, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 102, 10439 (2005).
C. Liu, Y. Y. Fan, M. Liu, H. T. Cong, H. M. Cheng and M. S. Dresselhaus, Science 286, 1127 (1999).
J. L. C. Rowsell and O. M. Yaghi, Angew. Chem. Int. Edit. 44, 4670 (2005).
N. L. Rosi, J. Eckert, M. Eddaoudi, D. T. Vodak, J. Kim, M. O’Keeffe and O. M. Yaghi, Science 300, 1127 (2003).
L. J. Murray, M. Dinca and J. R. Long, Chem. Soc. Rev. 38, 1294 (2009).
X. B. Zhao, B. Xiao, A. J. Fletcher, K. M. Thomas, D. Bradshaw and M. J. Rosseinsky, Science 306, 1012 (2004).
M. Latroche, S. Surble, C. Serre, C. Mellot-Draznieks, P. L. Llewellyn, J. H. Lee, J. S. Chang, S. H. Jhung and G. Ferey, Angew. Chem. Int. Edit. 45, 8227 (2006).
D. Kim, D. H. Jung, S. H. Choi, J. Kim and K. Choi, J. Korean Phys. Soc. 52, 1255 (2008).
S. M. Lee, K. H. An, Y. H. Lee, G. Seifert and T. Frauenheim, J. Korean Phys. Soc. 38, 686 (2001).
C. Kittel and H. Kroemer, (W. H. Freeman & Company, 1980), p. 140.
K. S. W. Sing, Adv Colloid Interfac 76, 3 (1998).
H. Lee, W. I. Choi, M. C. Nguyen, M. H. Cha, E. Moon and J. Ihm, Phys. Rev. B 76, 195110 (2007).
H. Lee, W. I. Choi and J. Ihm, Phys. Rev. Lett. 97, 056104 (2006).
W. Kohn and L. J. Sham, Phys. Rev. 140, A1133 (1965).
G. J. Kubas, J. Organomet. Chem. 635, 37 (2001).
G. J. Kubas, Proc. Natl. Acad. Sci. 104, 6901 (2007).
D. M. Heinekey and W. J. Oldham, Chem. Rev. 93, 913 (1993).
T. Yildirim and S. Ciraci, Phys. Rev. Lett. 94, 175501 (2005).
T. Yildirim, J. Íńiguez and S. Ciraci, Phys. Rev. B 72, 153403 (2005).
Y. Zhao, Y.-H. Kim, A. C. Dillon, M. J. Heben and S. B. Zhang, Phys. Rev. Lett. 94, 155504 (2005).
N. Park, K. Choi, J. Hwang, D. W. Kim, D. O. Kim and J. Ihm, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A 109, 19893 (2012).
B. Kiran, A. K. Kandalam and P. Jena, J. Chem. Phys. 124, 224703 (2006).
P. Pyykko, J. Organomet. Chem. 691, 4336 (2006).
S. Banerjee, S. Nigam, C. G. S. Pillai and C. Majumder, Intern. J. Hydrogen Energy 37, 3733 (2012).
B. Chakraborty, P. Modak and S. Banerjee, J. Phys. Chem. C 116, 22502 (2012).
Y. Y. Sun, Y.-H. Kim, K. Lee, D. West and S. B. Zhang, Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 5042 (2011).
W. H. Shin, S. H. Yang, W. A. Goddard and J. K. Kang, Appl. Phys. Lett. 88, 053111 (2006).
E. Durgun, S. Ciraci and T. Yildirim, Phys. Rev. B 77, 085405 (2008).
E. Durgun, S. Ciraci, W. Zhou and T. Yildirim, Phys. Rev. Lett. 97, 226102 (2006).
W. Zhou, T. Yildirim, E. Durgun and S. Ciraci, Phys. Rev. B 76, 085434 (2007).
S. Meng, E. Kaxiras and Z. Zhang, Nano Lett. 7, 663 (2007).
N. Park, S. Hong, G. Kim and S.-H. Jhi, J. Am. Chem. Soc. 129, 8999 (2007).
Q. Hu, H. Wang, Q. Wu, X. Ye, A. Zhou, D. Sun, L. Wang, B. Liu and J. He, Intern. J. Hydrogen Energy 39, 10606 (2014).
K. Srinivasu and S. K. Ghosh, J. Phys. Chem. C 116, 25184 (2012).
A. Chakraborty, S. Giri and P. K. Chattaraj, Structural Chem. 22, 823 (2011).
K. Lü, J. Zhou, L. Zhou, Q. Wang, Q. Sun and P. Jena, Appl. Phys. Lett. 99, 163104 (2011).
Q. Sun, Q. Wang, P. Jena, B. V. Reddy and M. Marquez, Chem. Mat. 19, 3074 (2007).
G. Kim, S.-H. Jhi, S. Lim and N. Park, Phys. Rev. B 79, 155437 (2009).
A. Bhattacharya, S. Bhattacharya, C. Majumder and G. P. Das, J. Phys. Chem. C 114, 10297 (2010).
S. Nachimuthu, P.-J. Lai and J.-C. Jiang, Carbon 73, 132 (2014).
G. Kim, S. H. Jhi, N. Park, S. G. Louie and M. L. Cohen, Phys. Rev. B 78, 085408 (2008).
T. K. A. Hoang and D. M. Antonelli, Adv Mater 21, 1787 (2009).
Y. F. Zhao, M. T. Lusk, A. C. Dillon, M. J. Heben and S. B. Zhang, Nano Lett. 8, 157 (2008).
S. H. Jhi, G. Kim and N. Park, J. Korean Phys. Soc. 52, 1217 (2008).
Q. Sun, Q. Wang, P. Jena and Y. Kawazoe, J. Am. Chem. Soc. 127, 14582 (2005).
S. Li and P. Jena, Phys. Rev. Lett. 97, 209601 (2006).
H. Lee, J. Ihm, M. L. Cohen and S. G. Louie, Phys. Rev. B 80, 115412 (2009).
Y.-H. Kim, Y. Y. Sun and S. B. Zhang, Phys. Rev. B 79, 115424 (2009).
H. Lee, J. Ihm, M. L. Cohen and S. G. Louie, Nano Lett. 10, 793 (2010).
C. Ataca, E. Akturk and S. Ciraci, Phys. Rev. B 79, 041406 (2009).
C. Cazorla, S. A. Shevlin and Z. X. Guo, Phys. Rev. B 82, 155454 (2010).
H. J. Hwang, Y. Kwon and H. Lee, J. Phys. Chem. C 116, 20220 (2012).
T. Hussain, B. Pathak, M. Ramzan, T. A. Maark and R. Ahuja, Appl. Phys. Lett. 100, 183902 (2012).
Q. Wang, Q. Sun, P. Jena and Y. Kawazoe, J. Chem. Theory Comput. 5, 374 (2009).
Y. S. Wang, P. F. Yuan, M. Li, W. F. Jiang, Q. Sun and Y. Jia, J. Solid State Chem. 197, 323 (2013).
E. Beheshti, A. Nojeh and P. Servati, Carbon 49, 1561 (2011).
C. Li, J. Li, F. Wu, S.-S. Li, J.-B. Xia and L.-W. Wang, J. Phys. Chem. C 115, 23221 (2011).
T. Sagara and E. Ganz, J. Phys. Chem. C 112, 3515 (2008).
P. B. Sorokin, H. Lee, L. Y. Antipina, A. K. Singh and B. I. Yakobson, Nano Lett. 11, 2660 (2011).
C. Li, J. B. Li, F. M. Wu, S. S. Li, J. B. Xia and L. W. Wang, J. Phys. Chem. C 115, 23221 (2011).
Z. Yang and J. Ni, Appl. Phys. Lett. 97, 253117 (2010).
X. L. Zou, M. H. Cha, S. Kim, M. C. Nguyen, G. Zhou, W. H. Duan and J. Ihm, Intern. J. Hydrogen Energy 35, 198 (2010).
A. Reyhani, S. Z. Mortazavi, S. Mirershadi, A. Z. Moshfegh, P. Parvin and A. N. Golikand, J. Phys. Chem. C 115, 6994 (2011).
X. Hu, B. O. Skadtchenko, M. Trudeau and D. M. Antonelli, J. Am. Chem. Soc. 128, 11740 (2006).
T. K. A. Hoang, A. Hamaed, G. Moula, R. Aroca, M. Trudeau and D. M. Antonelli, J. Am. Chem. Soc. 133, 4955 (2011).
A. Hamaed, T. K. A. Hoang, G. Moula, R. Aroca, M. L. Trudeau and D. M. Antonelli, J. Am. Chem. Soc. 133, 15434 (2011).
T. K. A. Hoang, M. I. Webb, H. V. Mai, A. Hamaed, C. J. Walsby, M. Trudeau and D. M. Antonelli, J. Am. Chem. Soc. 132, 11792 (2010).
A. Hamaed, M. Trudeau and D. M. Antonelli, J. Am. Chem. Soc. 130, 6992 (2008).
T. K. A. Hoang, L. Morris, D. Reed, D. Book, M. L. Trudeau and D. M. Antonelli, Chem. Mat. 25, 4765 (2013).
A. B. Phillips and B. S. Shivaram, Phys. Rev. Lett. 100, 105505 (2008).