基于G4MP2计算的液态有机氢载体精确脱氢焓数据集构建及其在氢能存储中的应用

本研究针对氢能存储中液态有机氢载体(LOHC)设计缺乏高精度热力学数据的瓶颈，通过G4MP2量子化学方法扩展QM9数据库，构建了包含10,373个脱氢反应（最小5.5% wt.H2存储容量）的QM9-LOHC数据集，为开发新型电化学LOHC、碱金属-LOHC等系统提供了关键热力学参数，相关成果发表于《Scientific Data》。

　　

氢能作为清洁能源载体面临存储和运输的重大挑战，液态有机氢载体(LOHC)技术通过可逆的加氢/脱氢反应实现氢的化学存储，成为突破高压储氢限制的关键方案。然而传统LOHC系统存在脱氢焓(ΔH)过高、存储容量不足等问题，亟需建立高精度热力学数据库指导新型载体设计。美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)材料科学部的Hassan Harb团队联合化学科学与工程学部、数据科学与学习学部的研究人员，在《Scientific Data》发表研究，通过G4MP2量子化学计算方法扩展经典QM9数据库，构建了首个专注LOHC应用的脱氢反应热力学数据集QM9-LOHC。

研究采用多尺度计算方法：首先通过RDKit筛选QM9数据库中含不饱和键的分子，经字符串操作生成对应饱和形式；随后基于美国能源部5.5% wt.H₂标准筛选10,373个反应对；对缺失的9,841个氢化分子采用Gaussian 16软件进行G4MP2计算（包含B3LYP/6-31G(2df,p)几何优化和CCSD(T)/6-31G(d)能量校正），最终通过反应焓公式ΔH_rxn = [H_H-lean^o + n×H_H2^o] - H_H-rich^o计算脱氢焓值。

【数据记录】

数据集包含10,373个反应，其中9,841个为新计算的G4MP2焓值。验证显示G4MP2与实验值的平均绝对误差为6.3 kJ/mol H₂，显著优于B3LYP方法。如图3所示，30%反应（3,040个）的ΔH落在LOHC理想范围40-70 kJ/mol H₂，62.5%分子具有6-6.5% wt.H₂存储容量。

【技术验证】

如表1所示，14个基准分子的G4MP2计算值与实验数据高度吻合（苯ΔH误差6.1 kJ/mol）。研究同时发现氮杂环化合物（如氨基苯）误差较大（14.3 kJ/mol），这与G4MP2对含氮体系的计算局限一致。图4揭示存储容量与ΔH的正相关性，其中四类代表性分子（含氮六元环、羰基、叠氮等）展示了结构多样性对性能的调控作用。

该研究创建的QM9-LOHC数据集首次系统覆盖了符合能源部标准的LOHC反应热力学参数，不仅为传统催化剂介导的LOHC系统（如苯/环己烷）提供设计基准，更推动了三类创新方向的发展：(1)通过电化学LOHC（如异丙醇/丙酮对）实现高效可控的氢释放；(2)利用碱金属-LOHC（如Na-酚盐）降低反应焓；(3)通过LOHC混合物调控熔点（如N-乙基/丙基咔唑混合物熔点降低45K）。数据集已开源并配套开发交互式网络应用，为机器学习模型开发提供了高保真数据，将加速氢能存储材料的计算发现进程。