氫能有潛力成為實現(xiàn)聯(lián)合國凈零排放目標的關(guān)鍵措施，但其工業(yè)用途因其儲存和處理困難而受到阻礙。氫氣在極低的溫度(-252°C)下會變成氣體，這使得它在室溫下的儲存具有挑戰(zhàn)性。氫與其儲存材料之間的相互作用太弱，無法在室溫下持續(xù)存在。這使得存儲材料的設(shè)計對于實現(xiàn)將氫能引入日常使用的目標至關(guān)重要。

這是計算材料設(shè)計進來，很多的時間和精力氫燃料技術(shù)的發(fā)展過程中通過在計算機上設(shè)計的材料，并模擬其氫容量可以保存存儲。但是這些預測在使用中變得非常有限，除非它們是準確的并且可以以合理的計算成本進行。在最近發(fā)表在ACSOmega上的一項研究中，科學家們開發(fā)了一種計算成本高但準確度高的預測儲氫的新方法：“改進預測模擬的可靠性有助于加速氫燃料儲存材料的開發(fā)，并導致一個更節(jié)能的社會，”領(lǐng)導這項研究的先進科學技術(shù)研究所(JAIST)的KentaHongo博士說。

物體之間的基本吸引力之一是范德華力，它根據(jù)原子或分子之間的距離定義了它們之間的相互作用。由于范德瓦爾斯力是相當復雜的量子過程的結(jié)果，傳統(tǒng)的處理方法無法很好地描述它，因此到目前為止的模擬都處于對它的粗略估計的水平。但是在模擬儲氫時這樣做是否正確?這是本鄉(xiāng)博士和團隊最關(guān)心的問題。

為了回答這個問題，他們研究了碳化硅納米管，這是最有前途的儲氫材料之一。使用稱為擴散蒙特卡羅(DMC)的計算技術(shù)，他們創(chuàng)建了一個模型，該模型在模擬碳化硅納米管中的氫存儲時考慮了范德華力。大多數(shù)傳統(tǒng)模型將氫和碳化硅納米管之間的相互作用作為一個整體考慮，但DMC方法利用超級計算機的能力，通過跟蹤單個電子的排列來忠實地重建相互作用機制。這使得DMC模型成為迄今為止最準確的預測方法。使用DMC模型，研究人員還能夠預測將氫從其儲存中取出需要多少能量，以及氫離碳化硅納米管表面有多遠。然后，他們將建模的結(jié)果與通過傳統(tǒng)預測方法獲得的結(jié)果進行了比較。

傳統(tǒng)的預測方法通?；诜Q為密度泛函理論(DFT)的計算技術(shù)。DFT使用描述電子密度空間變化的泛函(量子相互作用的模型描述)來確定復雜系統(tǒng)的屬性。雖然已經(jīng)有幾項基于DFT的研究關(guān)于碳化硅納米管上的氫存儲，但沒有一項研究將范德華力納入他們的預測中。然而，范德華修正的DFT泛函已被用于其他材料的預測。Hongo博士和團隊使用范圍廣泛的DFT泛函模擬了儲氫，這些泛函具有范德瓦爾斯修正，而那些沒有。他們發(fā)現(xiàn)，沒有范德華修正的DFT泛函將儲氫所需的能量誤估了4-14%。另一方面，范德瓦爾斯校正的DFT泛函產(chǎn)生的結(jié)果與DMC的結(jié)果非常相似。此外，他們發(fā)現(xiàn)范德華力對存儲能量的貢獻約為9-29%，這幾乎是微不足道的。

Hongo博士認為，這些發(fā)現(xiàn)可以成為儲氫模擬技術(shù)進一步創(chuàng)新的墊腳石。“雖然DMC方法的計算成本很高，但它可以用來闡明每種預測方法的特性(預測誤差的趨勢)。這將幫助我們了解應該信任哪個預測，以及如何修改預測方法以使其更有用，”他解釋說。

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