具有高储氢容量和可逆储氢性能的新材料的开发对氢能的大规模利用至关重要。基于第一性原理计算, 研究了Li原子和Ca原子单独修饰和共修饰VO2单层体系的H2分子存储性能。结果表明Li原子和Ca原子均能稳定结合在VO2单层表面而不产生金属团簇。单个Li原子和Ca原子分别最多可稳定吸附3个和6个H2分子, 且H2分子平均吸附能均大于0.20 eV/H2。吸附体系差分电荷和态密度分析结果表明, 氢分子的极化机制以及氢分子与金属原子间的轨道杂化作用是H2分子在金属原子周围稳定吸附的主要原因。Li原子修饰体系的储氢质量密度随着Li原子覆盖度的增加而逐渐增加, 而Ca原子修饰体系的储氢质量密度在低金属覆盖度时较高; Li/Ca共修饰体系的储氢质量密度有所增加, 其储氢质量密度为5.00%(质量分数)。此外, 考虑了不同温度和压强条件下储氢体系的稳定性。

铟(In)原子替位位置对开发新型正交GaN的储氢材料具有重要意义。当前关于In原子替位位置对正交GaN材料的影响研究相对薄弱。本文基于第一性原理研究了不同In原子替位位置下InGaN材料的形成能、电子结构、弹性特性和力学稳定性。结果表明，通常情况下间隔三个原子的In原子替位位置的形成能最小且该体系最易形成。在相同的掺杂情况下，该结构的InGaN材料也具有较大的带隙宽度以及较小的弹性模量、体积模量、剪切模量与弹性模量，这意味着其抗压能力、抗剪切应力的能力较弱，韧性以及硬度较低。此外，声子谱计算结果表明，间隔三个原子的InGaN材料在环境压力下也具有良好的力学稳定性。本研究为正交GaN的新型储氢超材料的研究提供了理论依据。

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法，研究了Ti掺杂对Li2MgN2H2材料储氢性能的影响及作用机理，计算给出了杂质替换能、生成焓、能带结构、态密度、差分电荷密度及布居等。研究表明，Ti掺杂Li2MgN2H2体系时，其倾向于替换其中的Mg原子，且当替换8c位置的Mg时，杂质替换能最低，晶体结构最为稳定。生成焓计算结果表明，Ti掺杂能够有效降低Li2MgN2H2的结构稳定性，有利于其吸氢反应的进行。进一步结合电子结构分析发现，Ti掺杂使得Li2MgN2H2材料的晶胞体积增大，能隙降低，同时Ti与N原子之间较强的相互作用使得Li-N和N-H键的成键峰峰值降低，键强减弱，这些因素均有利于Li2MgN2H2材料吸氢动力学性能的提高。

采用真空电弧熔炼和均匀化退火制备La_0.3Y_0.7Ni_3.4-xMn_xAl_0.1(x=0~0.5)储氢合金, 采用不同方法系统研究了Mn元素对合金微观结构、储氢和电化学性能的影响规律和作用。结果表明, 退火合金微观组织与Mn含量关系密切, 提高Mn含量有利于合金组织形成Ce₂Ni₇型相, 当x≥0.3时, 合金形成Ce₂Ni₇型结构单相组织。随Mn含量增加, Ce₂Ni₇型主相晶胞参数a、c及晶胞体积V均依次增大, 导致合金吸氢平台压从0.079 MPa降至0.017 MPa, 储氢量达到1.268wt%~1.367wt%。添加Mn元素能显著改善合金的电化学性能, x=0.1的合金电极的放电容量最高(390.4 mAh·g ^-1); x=0.15和0.5的合金电极的容量保持率S₁₀₀分别为86.1%和88.5%, 具有较好的循环稳定性。上述合金电极的高倍率放电性能HRD₉₀₀为71.53%~87.73%。分析结果表明, 合金电极反应动力学过程由电极/溶液界面的电子转移与体相中的氢原子扩散共同控制。

二氧化铈(CeO2)具有储量丰富, 价格低廉, 催化性能优异等特性而得到广泛应用。 通过在其晶格中掺杂其他离子制得CeO2固溶体, 可以进一步调控CeO2的晶格大小, 增加晶格缺陷浓度, 从而有效提高催化性能。 目前研究较多的掺杂离子多为金属阳离子, 而对非金属阴离子掺杂的研究尚有待深入探索。 本文以CO(NH2)2为N源, 采用水热法合成不同N掺杂浓度的纳米CeO2-xNx固溶体(x=0.00, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20), 系统对固溶体的微观结构及光谱特征进行表征。 X射线衍射(XRD)结果表明, 所有掺杂浓度的CeO2-xNx固溶体均呈萤石立方单相结构。 与纯CeO2相比, N含量为0.05时样品的晶胞参数显著增大, 而随掺杂浓度的进一步增加, 晶胞参数又呈现出逐渐减小的趋势。 拉曼(Raman)测试表明, N掺杂样品的F2g振动模式峰向高波数移动, 其原因是由于当N3-取代部分O2-后, Ce4+周围出现Ce—N键, Ce—N键长因静电引力变强而缩短, 从而引起峰位的移动。 通过紫外可见吸收光谱(UV-Vis)分析掺杂所引起样品电子跃迁状态的改变, 发现N元素的掺杂使CeO2在可见光区域具有了吸光性能, CeO2-xNx固溶体的能隙明显减小, 这是由于N(2p)与O(2p)的电子轨道发生交互作用而形成中间能级, 使得电子跃迁所需能量降低, 从而引起能隙的红移。 荧光光谱(PL)测试表明, 发射峰强度随N掺杂浓度的增大而增大, 其原因一方面是由于N掺杂会引起晶格缺陷及氧空位比例的提升, 发生带间跃迁的几率变大, 进而提高发射峰的相对强度; 另一方面, N的掺杂在价带O(2p)与导带Ce(4f)间形成中间能带, 同样会导致发射峰变强。 为表征纳米固溶体的催化特性, 分别选取N掺杂量最小的CeO1.95N0.05与N掺杂量最高的CeO1.80N0.20以及纯CeO2作为典型催化剂, 采用球磨法制备Mg2Ni/Ni/CeO2-xNx复合材料, 系统分析了复合材料电极的储氢动力学性能。 交流阻抗(EIS)测试发现, 催化剂可以有效提高储氢合金的表面电荷转移活性, N掺杂量越高, CeO2基固溶体的催化活性越强; 动电位极化曲线测试表明, 掺杂催化剂也能显著提高H原子在合金内部的扩散速率, 且CeO1.95N0.05较CeO1.80N0.20具有更好的催化活性。 催化机理主要从催化剂的微观结构及光谱特征进行分析, 如前所述, 随着N含量的提高, CeO2固溶体晶格中的氧空位比例增大, 晶格畸变程度提高, N的掺杂还使固溶体的电子跃迁能隙降低, 从而有利于电子在合金表面的迁移; 同时, 纳米材料的晶粒尺寸越小, 表明晶粒表面缺陷比例越大, 说明催化剂的活性增强, 因此表现为N掺杂浓度越高, 复合材料电极交流阻抗弧半径的越小, 即CeO1.80N0.20可以更加有效提高复合材料的表面活性; 另一方面, 若催化剂的晶胞体积增大, 可使H原子在穿过材料表面的传输过程中具有更大的空间, 由于CeO1.95N0.05的晶胞参数大于CeO1.80N0.20催化剂, 故H原子通过催化剂进入合金内部的传输更加容易。 H原子在合金内部的扩散速率与催化剂的晶胞参数或晶胞体积的大小密切相关。

采用“纳米装填”技术和“熔化渗透”工艺成功制备了氢容量在硼氢化锂质量分数80%以上的硼氢化锂/碳气凝胶复合材料。并用扫描电镜、透射电镜、傅里叶红外透射光谱等手段表征了复合材料的结构与性能。发现硼氢化锂填充了碳气凝胶骨架孔隙的90%以上，形成均匀的复合材料。研究了复合材料的形成机制，发现硼氢化锂先进入碳气凝胶骨架的小孔，再逐渐填充大孔。这有利于材料晶粒的细化，提高吸放氢性能，减少结构缺陷。经放氢动力学测试表明，LiBH4/CRF复合材料的放氢速率是文献中LiBH4与活性炭的球磨样品的5倍。

近年来, 笼型水合物储氢已成为储氢研究的热点之一。 采用激光拉曼光谱开展了以氮气水合物为载体的储氢实验研究。 在较为温和的条件下(15 MPa, -18 ℃), 使合成的氮气水合物与氢气发生反应, 对反应产物的拉曼光谱分析结果显示, 氢气分子进入到水合物的笼型结构中, 并且呈现出多分子的笼占有状态; 氮气水合物与氢气的反应时间是影响储氢效果的重要因素。 研究结果表明, 氮气水合物有希望成为一种有效的储氢介质。

以间苯二酚(R)和甲醛(F)为前驱体制备出RF碳气凝胶，并利用CO2气体对其进行活化，通过热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)、氢吸附等表征手段研究了活化过程中温度对碳气凝胶微结构及氢吸附性能的影响。结果表明：CO2活化可使碳气凝胶比表面积大幅提高，且不会影响其微孔网络结构。随着活化温度的升高，碳气凝胶非晶性变得更加明显，失重率显著增加，微孔体积、比表面积及氢吸附量先增后减，有望通过改变CO2活化温度增加碳气凝胶微孔数量来提高其氢吸附性能。