氮掺杂碳纳米管机械缺陷形状调控铝银纳米合金氢存储性能的分子动力学研究

为解决氢能源存储中材料吸附效率与结构稳定性的关键问题，研究人员通过分子动力学模拟研究了不同机械缺陷形状的氮掺杂碳纳米管(NSWC)负载铝银纳米合金(AlAg@NSWC)的氢存储性能。结果表明，线状缺陷结构在室温下显著提升大尺寸铝纳米颗粒的储氢能力，且储氢量与氢气压力呈单调递增关系，符合美国能源部(DOE)标准，为新型储氢材料设计提供了理论依据。

　　

氢能作为清洁能源的代表，其存储技术一直是制约发展的瓶颈。传统金属氢化物虽具潜力，却面临重量大、吸附条件苛刻等挑战；碳基材料如碳纳米管(CNT)虽轻便，但纯碳结构储氢效率不足。如何在室温条件下实现高效、稳定的氢存储？氮掺杂碳纳米管与金属纳米颗粒的复合体系为此提供了新思路。

德国联邦教育与研究部(BMBF)资助的研究团队在《Computational and Theoretical Chemistry》发表论文，通过分子动力学(MD)模拟系统探究了不同机械缺陷形状（线状、方形、矩形）的氮掺杂碳纳米管(NSWC)负载铝银纳米合金(AlAg@NSWC)的储氢性能。研究发现：线状缺陷结构能显著提升大尺寸铝纳米颗粒的室温储氢能力；氢气压力与银纳米颗粒表面储氢量呈单调递增关系；所有缺陷结构均表现出不可逆的碳管形变特征。这一成果为满足美国能源部(DOE)储氢标准的新型材料设计提供了关键理论支撑。

研究采用三大关键技术：1) 分子动力学(MD)模拟在NVT系综下进行，使用leapfrog算法积分运动方程；2) 对比分析完美结构及三种缺陷形状（线状、方形、矩形）的氮掺杂碳纳米管；3) 通过氢压梯度实验（0.1-100MPa）评估储氢性能。

压力对储氢性能的影响
模拟显示，氢气压力升高时，银纳米颗粒表面的储氢量呈单调增长趋势。线状缺陷结构在256个银原子的体系中表现最优，证实缺陷形状对吸附动力学的调控作用。

结论与意义
该研究首次揭示机械缺陷形状与氮掺杂协同调控金属纳米颗粒储氢性能的机制：线状缺陷通过增强氮原子与铝颗粒的电子转移，提升室温储氢效率；不可逆结构形变表明材料需优化稳定性。成果不仅为AlAg@NSWC体系的实际应用奠定基础，更开创了"缺陷工程"策略在储氢材料设计中的新范式。

讨论延伸
作者Farid Taherkhani指出，未来需结合密度泛函理论(DFT)进一步解析氮-金属相互作用机制。该工作与团队此前关于MoS₂硫层结构储氢的研究形成方法论互补，共同推进了多尺度模拟在能源材料领域的应用边界。