相对于传统的化石燃料,氢能以其清洁、高效、无污染的特点,有望成为下一代能源。氢能在运输系统中应用的关键在于氢气储存。固态储氢材料由于其本身的储氢优势,在车载储氢领域具有广阔的应用前景。氢可以以原子或分子两种不同的形式高效地储存在固态材料中。为此,本论文研究了相应的两种典型固态储氢材料,即钒基合金和金属修饰的二维材料。钒基合金具有较高的储氢容量(4 wt.%)和在适当条件下快速吸(放)氢动力学性能,被认为是一种很有应用前景的储氢材料。钒合金吸(放)氢过程中有两个压力平台,分别对应于V和VH1-x、VH1-x和VH2-x两相区。本文运用储氢性能实验和密度泛函理论计算的方法研究了合金元素对钒氢化物双平台储氢性能的影响。1.通过电弧熔炼法制备了V97Al3、V97Mn3和V97Ru3共三种V-3A二元合金,并对其第二平台储氢性能进行了研究。与纯钒相比,合金元素的添加提升了放氢平台压力。在所研究的温度范围内(373～433 K),V-3 Ru显示出最高的放氢平台压力,同时也具有较大的有效储氢量。V-3A合金氢化物的放氢平台压大小与焓值有关,通过模拟计算特定合金氢化物的生成焓,可以预测其放氢平台压力。利用态密度、电子定域函数和原子电荷分析进一步研究了V-3A合金氢化物的电子性质,发现氢与合金元素之间的键合作用起源于H的s轨道与过渡金属(V,Mn和Ru)的p和d轨道,以及A1的s和p轨道之间的杂化。V和Al在各氢化物中均带正电荷,而Mn和Ru仅在较高氢含量的氢化物中带正电荷。随着合金氢化物中氢含量的增加,V原子的电子损耗和合金氢化物的键合离子性均有所增加。2.进行低压吸放氢实验时发现,Al和Ru的添加一定程度上增加了钒的第一平台压。在所研究的合金粉末中,V-3Ru具有最大比表面积,其在433 K温度和1500 Pa氢压下的初始吸氢速率也最高。通过CI-NEB方法分析氢在V-3A合金表面及内部的扩散,发现由合金表面向内部的氢扩散势垒(～1.1 eV)远大于合金的内部氢扩散势垒(～0.10eV)和表面氢扩散势垒(～0.30 eV)。综合之前的实验结果,证明了合金表面形貌对初始氢扩散起主要的影响作用。金属修饰二维材料由于具有适中的氢分子吸附能,较大的储氢容量和快速吸放氢动力学性能,在理论和实验上得到了广泛研究。本文在密度泛函理论框架下,预测了两种新型二维材料—Li修饰B2S结构和单层TiB4结构的储氢性能。1.通过模拟计算发现,H2分子与B2S基体的结合是物理吸附。单层B2S表面分散的Li原子显著提高了氢结合能和储氢能力。分子动力学计算表明,Li修饰B2S材料的氢解吸过程没有动力学障碍。在所研究的B8S4Lix(x=1、2、4和12)化合物中,B8S4Li4是最有前景的候选储氢材料,其储氢量为9.1 wt.%,平均氢结合能为0.14 eV/H2。通过对B8S4Li4化合物吸附H2前后的电子性质进行详细分析,证实了Li与H2分子间的相互作用具有静电性质。2.选择CH4和H2作为吸附分子,研究其与TiB4单层结构的相互作用。TiB4通过开放的Ti位点吸引气体分子,每个Ti原子最多能吸附两个分子。通过态密度和原子电荷分析,发现对于CH4吸附,其吸附机理主要是静电作用;而对于H2吸附,静电作用和轨道相互作用均有贡献。由于1个CH4分子的燃烧能是1个H2分子的3倍,因此TiB4-2CH4可以达到10.14 wt.%的最佳储氢密度,同时具有0.38 eV的适中平均吸附能。该体系的分子动力学计算结果表明,CH4解吸过程中没有动力学障碍。此外,TiB4单层的堆积会削弱其储能能力,因此在实际应用中应避免层间堆叠情况的发生。