石墨烯与碳纳米管氢吸附性能的分子模拟

汤梦瑶，孙天一，李佳书，丁延，李进龙

石墨烯与碳纳米管氢吸附性能的分子模拟

汤梦瑶，孙天一，李佳书，丁延，李进龙

（常州大学 石油化工学院，江苏 常州 213164）

在293.15 K、101.30 kPa的条件下，测定了氢气在石墨烯、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的储氢密度，对比了同等条件下采用不同力场计算得到的数据，筛选了3种碳材料的最佳计算力场。在此基础上，进一步计算了3种碳材料在0～1 000.00 kPa、77.00～573.15 K条件下的储氢密度。结果表明，Dreiding力场是计算石墨烯吸附储氢密度的最佳力场，Universal力场是计算碳纳米管吸附储氢密度的最佳力场；在给定条件下，3种材料吸附储氢能力强弱排序为石墨烯>单壁碳纳米管>多壁碳纳米管，储氢能力与材料的比表面积及其与氢气的弱结合力紧密相关。该研究结果可为分子模拟碳材料吸附储氢和储氢材料设计提供数据和理论支撑。

石墨烯； 碳纳米管； 吸附储氢性能； 分子模拟

氢气具有单位质量能量密度大、环境友好、持续再生和大规模存储等优点，是理想的清洁能源。碳材料具有比表面积大、强度高、韧性好、制备难度低等优点，因此在储氢材料领域引起了研究者和工业界的广泛兴趣，并已通过实验和计算机模拟等方法开展了深入研究[1⁃6]。

对碳纳米管材料，A.C.Dillon等[7]曾报道单壁碳纳米管在室温条件下氢气吸附量为10%；E.E.Dogan等[8]通过实验证明，碳纳米管比在无超声波和有超声波介质中合成的活性炭储氢能力分别高300%和265%；Y.Li等[9]和I.K.Petrushenko等[10]采用计算模拟方法研究了氢气在碳纳米管中的吸附和传输机理，结果表明材料的氢吸附性能与材料结构、分子作用密切相关，如过大的层间距会削弱碳氢的相互作用，从而导致吸氢能力降低。对石墨烯材料，已有实验[11⁃14]表明在一定温度和压力下储氢量可达3.1%，但总体氢吸附性能逊色于碳纳米管。计算机模拟表明，石墨烯储氢性能也与材料结构、修饰基团种类以及吸附条件等密切相关，且低压下氢气在石墨烯上的吸附行为符合Freundlich吸附模型。近年来，为提升碳纳米管和石墨烯的储氢性能，对其进行了各种掺杂或改性研究，如在材料表面或内部嫁接Li[15⁃16]、Ti[17⁃18]、Ni[19⁃20]等金属原子。

为获得氢气在碳基材料中的吸附机理并指导材料的设计和制备，基于不同力场的计算机模拟方法被广泛用于探索氢气与碳基材料的微观作用及形成的微观结构，如密度泛函理论(DFT)[21]、蒙特卡罗方法(MC)[22]和分子动力学(MD)[23]等，这些计算机模拟方法在碳纳米管和石墨烯氢吸附研究中被广泛应用[24⁃26]。然而，因力场和求解方法的不同，计算机模拟方法存在计算方法多、计算标准无法统一、模型普适性待提高等不足，如多数DFT方法选择有效描述色散作用[27]、MC体系样本空间取样量大等。因此，针对具体研究系统，需要根据其特性获得合适的模拟方法，进一步研究系统的微观作用机理。

本研究以碳纳米管和石墨烯吸附氢为研究对象，通过实验测定一定条件下不同碳基材料的氢饱和吸附量，再选择不同力场模拟实验条件下不同材料的氢吸附性能，从而获得每种碳材料吸氢分子模拟的最优力场，并据此进一步模拟不同温度和压力下氢气在碳材料中的储氢密度和吸附热，探索氢气在不同碳基材料中的吸附机理，为碳基储氢材料的设计和制备提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

石墨烯纳米片(Graphene)，片径为5～10 μm，厚度为3～10 nm，比表面积为31.66 m2/g，纯度大于99.50%；单壁碳纳米管(SWNT)，直径为1～2 nm，长度为5～30 μm，比表面积大于380.00 m2/g，纯度大于95.00%；多壁碳纳米管(MWNT)，直径为5～15 nm，内径为2～5 nm，比表面积大于200.00 m2/g，纯度大于95.00%。本实验相关碳材料均购自南京先丰纳米材料科技有限公司。

高性能吸附分析仪ASAP 2020 Plus，麦克默瑞提克(上海)仪器有限公司；真空管式炉BTF⁃1500C，安徽意贝克设备技术有限公司；电子分析天平ME2002(精度0.000 1 g)，梅特勒⁃托利多仪器有限公司。

1.2 实验方法

碳材料的吸附储氢性能使用ASAP 2020 Plus高性能吸附分析仪进行测量。将样品放入仪器前需要对其进行研磨处理，粉碎的颗粒需尽可能小，在真空和150 ℃的条件下进行预处理，将样品中的残气脱除，处理时间为6 h；然后，在20 ℃、0～101.30 kPa的条件下进行氢气吸附测试，获得氢气的吸附等温线。

1.3 模拟方法

储氢吸附的模拟计算基于巨正则蒙特卡洛法(GCMC)。为了确定3种碳材料合适的计算力场参数，选用了COMPASS、COMPASSⅡ、Dreiding、Universal四种不同力场，利用Fix Pressure和Adsorption Isotherm计算3种碳材料中的氢气吸附量，以实验值为基准，筛选获得对应碳材料的最优吸附储氢计算力场，由此进一步研究不同材料的吸附储氢性能。计算中，采用Metropolis抽样方法；静电力计算借助Ewald求和法；范德华力计算采用原子截断法，截断半径设为1.25 nm；精度均为中等精度。温度分别为77.00、87.00、293.15、373.15、473.15、573.15 K，压力为0～1 000.00 kPa。模拟计算总步数为107步，前5×106步用于平衡体系，后5×106步用于统计平均值。图1给出了在293.15 K和1 000.00 kPa的条件下3种碳基材料的平衡吸附示意图。图1中点状物为氢气分子，在模拟中通过调控体系内的氢气分子数量达到控压效果。

图1　293.15 K、1 000.00 kPa的条件下3种碳基材料的氢气吸附平衡示意图

2 结果与讨论

2.1 吸附储氢实验结果

图2为石墨烯纳米片、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管在293.15 K、101.30 kPa下的氢气吸附等温线。由图2可见，3种碳基材料的储氢密度随着氢气压力线性增加，其吸附等温线不属于任何一种常见的吸附等温线类型，但与C.Liu[28]和L.P.Ma[29]等报道的相同；在293.15 K和101.30 kPa的条件下，石墨烯、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的储氢密度分别为0.05%、0.10%和0.06%，与G.G.Tibbetts[30]和G.Srinivas[31]等报道的基本一致。单壁碳纳米管的储氢能力最强，多壁碳纳米管次之，石墨烯的储氢能力最弱，这与它们的比表面积正相关，但比表面积与储氢能力并无线性关联，如多壁碳纳米管的比表面积较石墨烯大很多，储氢密度差值却较小。

图2　293.15 K、101.30 kPa的条件下3种碳基材料的氢气吸附等温线

2.2 模拟力场筛选

图3为293.15 K、101.30 kPa的条件下石墨烯、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管储氢吸附的实验值和模拟值对比曲线。由图3（a）可知，在293.15 K、101.30 kPa的条件下，石墨烯对氢气的等温吸附实验值小于不同力场计算的模拟值，且等温吸附线同实验结果一样近似直线；Universal力场的计算结果相对偏大，COMPASS和COMPASSⅡ力场计算的吸附等温线几乎重合，两者差别很小；Dreiding力场相对最接近实验值。因此，可认为Dreiding力场为计算石墨烯储氢吸附的最优力场。

由图3（b）和（c）可知，对单壁碳纳米管体系，COMPASS、COMPASSⅡ和Dreiding力场计算的储氢密度过小，与实验值严重不符，而Universal力场的计算结果与实验值的偏差最小；对多壁碳纳米管体系，Universal力场的计算结果与实验值最为接近。因此，Universal力场可作为计算单壁和多壁碳纳米管的最优力场。

图3　293.15 K、101.30 kPa的条件下3种碳基材料储氢吸附的实验值和模拟值对比曲线

2.3 吸附储氢性能

图4为不同压力和温度下石墨烯、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的氢气吸附等温线。由图4可知，石墨烯在较低压力下吸附储氢能力最低，随着压力增加，无论在77.00 K或293.15 K条件下，其储氢密度均线性增加，且当压力达到某一数值后，其吸附储氢能力均高于碳纳米管材料，在1 000.00 kPa的压力下，温度为77.00、293.15 K时对应储氢密度分别为1.79%和0.48%，远高于单壁碳纳米管和多壁碳纳米管；对碳纳米管，随着压力的变化，不同温度条件下吸附等温线变化规律稍有不同，温度较高时，储氢密度在低压下增加较快，随压力增加其增势放缓，而在研究的压力范围和低温条件下储氢密度变化缓慢。

图4　77.00、293.15 K的条件下氢气的吸附等温线

2.4 温度对储氢性能的影响

图5为不同温度下氢气在石墨烯、单壁碳纳米管、多壁碳纳米管中的吸附等温线。由图5（a）可以看出，不同温度下石墨烯的氢气吸附等温线都随压力呈线性增长；随着温度上升，等温线斜率逐渐减小，且减小趋势逐渐减缓。由图5（a）还可以看出，77.00、87.00 K的低温有利于石墨烯储氢，在这两个温度条件下增大压力时石墨烯储氢能力的提升幅度较大；在1 000.00 kPa下，温度从77.00 K升高至87.00 K，石墨烯最终的储氢密度从1.79%降低至1.59%；温度升高至293.15 K时，储氢密度显著减小，但随着温度的进一步升高，储氢密度的下降并不明显，在1 000.00 kPa的压力下，温度为293.15、373.15、473.15、573.15 K时储氢密度分别为0.48%、0.38%、0.30%和0.25%。综上，温度越高，升高温度对储氢能力的负面影响越小。

图5　不同温度下氢气在3种碳基材料中的吸附等温线

由图5（b）可以看出，在77.00、87.00 K的温度下，单壁碳纳米管在压力为10.00 kPa时已吸附相当数量的氢气，随着体系加压，氢气吸附密度增长缓慢。P.Benard[32]等认为，在低压下物理吸附主要由表面结合能决定，在高压下主要由比表面积决定，因此造成这种现象的原因可能是碳纳米管比表面积有限，在这两个超低温条件下，即使压力不大，氢气也已经接近饱和吸附状态，并且在低温下氢气和碳纳米管的结合作用可能较弱。

由图5（c）可以看出，在77.00 K时的储氢密度比87.00 K时大，约高0.17%；温度从293.15 K升高至573.15 K，储氢密度下降幅度则变小，其总体变化规律与石墨烯一致。根据图5（a）和图5（b）观察到的吸附等温线变化情况，推测单壁碳纳米管吸附等温线符合Ι类等温线[33⁃34]。为此，借助Langmuir模型和Freundlich模型对吸附等温线进行了拟合，模型具体公式为：

表1列出了不同温度下氢气在单壁碳纳米管中的Langmuir和Freundlich吸附拟合参数。由表1可知，低温下Langmuir模型拟合结果较差，77.00、87.00 K时回归系数仅为0.544 10、0.779 28，而Freundlich模型拟合效果较好；温度为293.15～573.15 K时，除573.15 K时Freundlich模型拟合不收敛，两个模型的关联结果均令人满意，但相较于Freundlich模型，Langmuir模型拟合结果更好。

表1　不同温度下氢气在单壁碳纳米管中的Langmuir和Freundlich吸附拟合参数

表2　不同温度下氢气在多壁碳纳米管中的Langmuir和Freundlich吸附拟合参数

2.5 吸附热变化

为定量评估石墨烯、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管与氢气分子的相互作用，分别计算了77.00 K、1 000.00 kPa和293.15 K、1 000.00 kPa条件下氢气的等量吸附热，结果见图6。由图6（a）可知，在77.00 K、1 000.00 kPa的条件下，3种碳基材料对氢气的吸附热均随储氢密度增大而减小，且吸附热遵循单壁碳纳米管(16～18 kJ/mol) >多壁碳纳米管(9～11 kJ/mol)>石墨烯(1～3 kJ/mol)的规律。由此推断，此条件下的吸附均为物理吸附[29]，且碳材料与氢气分子结合力较弱；此外，氢气在石墨烯上的吸附值为零时，石墨烯对氢气的吸附热约为3 kJ/mol，这与氢气在碳材料上物理吸附的最小值相对应[36]。由图6（a）还可以看出，随着储氢密度增加，单壁碳纳米管的吸附热下降幅度最大，表明样品表面存在多个结合能不同的吸附点。上述结果表明，为了提高石墨烯和碳纳米管的储氢能力，需要对其结构和成分进行修饰，从而在吸附过程中保持高比表面积。

由图6（b）可知，293.15 K、1 000.00 kPa下石墨烯对氢气的吸附热明显大于77.15 K、1 000.00 kPa下的吸附热，而碳纳米管体系在两种条件下对氢气的吸附热相差不大，这与氢分子的热运动随温度的升高而加剧有关。吸附热是从游离态到吸附态所释放的热量，在吸附过程中，随着氢分子向吸附材料表面靠近，分子热运动速度逐步降低，同时势能转化为内能而放热，从而释放出热量；氢分子在293.15 K下的热运动比77.00 K下要剧烈得多，当这些氢分子吸附在碳材料表面时，其动能被转化为热量释放出来，故吸附热随之增大。同时，在293.15 K下，材料表面氢气覆盖率较低，吸附热的变化幅度比较小，但仍呈现随储氢密度增大而减小的规律。

图6　压力为1 000.00 kPa时、温度为77.00 K和293.15 K的条件下氢气的等量吸附热

3 结 论

（1）借助GCMC分子模拟方法，计算了石墨烯、单壁碳纳米管和多壁碳纳米管对氢气的吸附性能，并基于等温吸附实验结果获得了模拟不同体系的最佳力场：Dreiding力场计算石墨烯体系偏差最小，而Universal力场计算碳纳米管系统偏差最小。

（2）在77.00 K、1 000.00 kPa的条件下，吸附储氢能力排序为石墨烯>单壁碳纳米管>多壁碳纳米管，对应的最大储氢密度分别为1.79%、1.02%和0.85%；在293.15 K、1 000.00 kPa的条件下，其排序为石墨烯>多壁碳纳米管>单壁碳纳米管，对应的最大储氢密度分别为0.48%、0.28%和0.21%。

（3）氢气在石墨烯中的吸附等温线呈线性，符合一次函数关系；氢气在碳纳米管中的吸附符合Ι类等温线类型，符合Langmuir和Freundlich模型。

（4）氢气的吸附热随储氢密度增大而减小，吸附热排序为单壁碳纳米管>多壁碳纳米管>石墨烯。氢气与碳材料的弱结合及氢气覆盖率的升高，导致可用比表面积减少，这极大地限制了材料的物理吸附储氢性能。因此，需要对其进行结构和成分修饰，以保持固有的高比表面积，并增强与氢气的结合，从而提高材料的吸附储氢能力。

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Molecular Simulation of Hydrogen Adsorption Performance in Graphene and Carbon Nanotubes

Tang Mengyao， Sun Tianyi， Li Jiashu， Ding Yan， Li Jinlong

（School of Petrochemical Engineering，Changzhou University，Changzhou Jiangsu 213164，China）

The adsorption data of hydrogen in graphene,single⁃walled carbon nanotubes,and multi⁃walled carbon nanotubes at 293.15 K and 101.30 kPa were measured experimentally.Through the comparison of the data calculated by different force fields under the same conditions, the optimal force fields of the three carbon materials for calculation were selected.On this basis,the hydrogen adsorption data of the three carbon materials at 0～1 000.00 kPa and 77.00～573.15 K were calculated.The results show that the Dreiding force field is the optimal force field to calculate the hydrogen adsorption and storage in graphene,and the Universal force field is the best force field to calculate that in carbon nanotubes.Under given conditions,the hydrogen adsorption and storage capacity of the three materials is ranked as follows:graphene single⁃walled carbon nanotubes multi⁃walled carbon nanotubes.The hydrogen storage capacity is closely related to the specific surface area of the material and its weak binding force with hydrogen.The results can provide data and theoretical support for the molecular simulation of hydrogen adsorption and storage in carbon materials as well as hydrogen storage material design.

Graphene； Carbon nanotubes； Adsorption hydrogen storage performance； Molecular simulation

1006⁃396X（2022）04⁃0010⁃08

2022⁃06⁃13

2022⁃08⁃02

国家自然科学基金项目（22078026, 21878025）。

汤梦瑶（1998⁃），女，硕士研究生，从事分子热力学与药物活性分离方面的研究；E⁃mail:870019653@qq.com。

李进龙（1976⁃），男，博士，教授，从事分子热力学实验与理论方面的研究；E⁃mail:lijinlong@cczu.edu.cn。

TQ021.2

A

10.3969/j.issn.1006⁃396X.2022.04.002

（编辑 闫玉玲）