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行业领域

新材料产业,制造业

需求背景

氢能作为一种可持续发展能源，由于其燃烧热值非常高且燃烧产物为水，被认为是唯一在保证能源供应的同时不产生温室气体的能源。从长远的发展来看，采用氢能作为未来社会发展的主要动力来源，被认为是最具希望突破当前化石能源限制，转变能源结构的一条重要途径。要实现氢能的大规模利用，其储存技术的开发却面临着非常大的挑战。由于氢气的特殊性，工业上，对储氢材料以及系统的总体要求主要是安全、储氢密度高、成本低、加氢/放氢条件温和、使用便捷。目前主要存在三类储氢技术：高压气态储氢、低温液态储氢、固态材料储氢。对于固态氢化物储氢系统，其具有非常高的安全性及体积储氢密度，但是由于其重量储氢密度较低也限制了其发展。因此，寻求综合性能更优的储氢材料用于实现更安全高效的氢气储存成为了开发氢能的关键。具有高比表面积的石墨烯是一种很有潜力的储氢材料。然而晶格完美的石墨烯却不利于氢气的吸附。然而仅仅依靠物理吸附，无缺陷的完美的多层石墨烯，在常温条件下依旧展现出较差的储氢能力。为了实现石墨烯的高密度储氢，采用表面掺杂或者是表面预置缺陷的方法处理石墨烯，使之兼具一定的化学吸附性能从而实现其储氢性能的提升。

需解决的主要技术难题

1）N、P两种非金属元素掺杂石墨烯后的氢吸附机制：探索不同掺杂元素种类对其结构的影响，明确两种非金属元素的掺杂形式；研究不同掺杂条件对于两种非金属元素的掺杂形式的影响规律，明确其掺杂形式的调变准则；探索改变掺杂浓度对石墨烯结构的影响作用。

2）Pd基物质结构、氢溢流效应以及石墨烯基材料储氢能力之间的内在联系：探索Pd单原子、纳米团簇、纳米颗粒及其合金颗粒的可控制备方法学。考察Pd源浓度、还原温度以及还原方式等因素对其最终获得的纯Pd修饰的VA族元素掺杂石墨烯合成的影响，探究其结构演变规律，探究最佳制备工艺条件，以期获得具有最佳吸氢动力学的Pd基合金修饰的VA族元素掺杂石墨烯。

3）阐明Pd修饰的VA族元素掺杂石墨烯的循环性能变化规律及影响机制：通过实验，结合密度泛函（DFT）与分子动力学（MD）方法，利用VASP对Pd修饰VA族元素掺杂石墨烯进行建模模拟，探索其解离氢分子的能力以及储存氢原子的方式，从本质上解释Pd修饰VA族元素掺杂石墨烯吸放氢性能提升的内在原因。

期望实现的主要技术目标

2019年两会，氢能首次被写入《政府工作报告》，标志着中国氢能已经进入迅速发展的时代。我国《“十三五”战略性新兴产业发展规划》、《能源技术革命创新行动计划（2016～2030年）》、《节能与新能源汽车产业发展规划（2012～2020年）》、《中国制造2025》等国家顶层规划都明确了氢能与燃料电池产业的战略性地位，并将氢燃料电池汽车列为重点支持发展领域。目前，国内近20座城市开始规划并布局氢能与燃料电池产业发展。其中，京津冀、长三角、珠三角等地区发展较为迅速，并逐步开始向周边地区辐射发展。成都市作为氢能产业发展的排头兵，已经加强了氢能产业的布局和规划。2018年，成都大力推进氢能产业发展，并将郫都区设置为四川省氢能应用示范区，开展氢能经济的示范性工程，说明了市政府推动氢能发展的决心。2018年12月19日，成都市氢能及燃料电池产业发展促进会正式成立，整合并布局了氢能相关企业，为氢燃料汽车制造、制氢、储运氢、加氢等全产业链的发展进行了规划。根据规划，到2025年，以成都为代表的四川省氢能相关技术产业规模可能将达到产值千亿元以上。

处理进度