近日，北京大学孙强教授课题组及其合作者在计算模拟设计多孔储氢材料研究方面取得重大进展，研究团队通过引入稀有气体作为占位原子在高压下进行机器学习势函数辅助的结构搜索，成功设计了在近室温条件下具有高储氢性能的多孔钛碳化物，展现了稀有气体占位在多孔材料设计方面的潜力。该研究成果以“Introducing Noble Gas as Space-Holder under High Pressure to Design Porous Titanium Carbides with Open Metal Sites for Hydrogen Storage at Near Ambient Conditions”为题发表于《Journal of the American Chemical Society》期刊（doi: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c07772）。论文的第一作者为北京大学在读博士生程杰玮，通讯作者为北京大学孙强教授。
研究团队在本研究中提出了一种创新策略，通过在高压下引入稀有气体（如氪气Kr）作为占位原子，成功设计出具有开放金属位点的多孔钛碳化物结构。这一策略的核心在于利用稀有气体原子在高压环境下占据材料中的特定位置，并在压力释放后形成稳定的多孔结构。具体而言，研究团队首先通过机器学习和图论辅助的全局结构搜索方法，利用钛碳化物二聚体、碳原子和氪原子作为前体，在30 GPa的高压条件下设计出28种不同的多孔钛碳化物结构，如图1所示。
图1.通过引入稀有气体进行具有开放金属位点的多孔钛碳化物材料的理论模拟设计流程。
这些新结构随后通过密度泛函理论（DFT）计算进行了详细的能量分析，以验证其稳定性及氢气的吸附性能。此外，研究者们使用巨正则系综蒙特卡洛模拟进一步评估了这些材料的储氢能力。最终，一种命名为p-TiC2的多孔结构，在230 K和16 bar的条件下展现出优异的储氢性能，储氢容量达到了4.0 wt%和106.0 g/L。
图2.p-TiC2的原胞结构示意图和DFT拟合力场巨正则系综蒙特卡洛模拟的在不同温压下的储氢量。
这一研究通过稀有气体的巧妙引入，成功利用理论模拟设计出具有理想开放金属位点的微孔框架结构。与传统的多孔材料相比，这种方法不仅能够更精确地控制金属位点的分布，还显著提高了材料在近室温条件下储氢能力。这一创新策略为设计高效氢储存材料提供了新的思路，并且有潜力推动其他多孔材料的开发应用，为清洁能源领域的技术进步奠定坚实基础。研究团队计划继续探索更多过渡金属与稀有气体的组合，以期实现更广泛的应用场景和更高效的储氢性能。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等相关项目的支持。
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c07772
