Theoretical Study on Hydrogen Storage and Promoter Effect of Binary Clathrate Hydrates

doi:10.7503/cjcu20230383

Abstract

Abstract:

Although clathrate hydrates（CHs） can be used as potential hydrogen storage materials for large-scale industrial applications due to their high energy storage density and environmental friendliness， major gaps in the understanding of the structures and diffusion of hydrogen gas in CHs remain. Here， we theoretically explored the hydrogen storage structure and properties of type I CHs using density functional theory（DFT） calculations. The results show that up to two H₂ molecules can be occupied in the 5¹² cages of the CHs， and the CH₄ and C₂H₆ promoters have no significant effect on its structure and properties. However， inclusion of the N₂ and CO₂ promoters in the CHs cages could considerably change the structures and properties including the number of H₂ molecules occupied in the 5¹² cages increased to three， stability increase， the host-guest electrostatic and hydrogen bonding interactions enhance， and the H—H stretching blue-shifts of the H₂ molecules. Moreover， when hydrogen occupies up to three H₂ molecules in the 5¹² cages of N₂ and CO₂ CHs， calculated energy barriers for one H₂ molecule migration through the pentagonal surface are close to twice that of pure hydrogen CHs， effectively hindering the diffusion of hydrogen between the cages.

Key words: Clathrate hydrates, Hydrogen storage, Stability, Diffusion, Promoter effect

CLC Number:

O641

TrendMD:

ZHANG Hongshu, LIANG Pan, XUE Yingying, WEI Yaoyao. Theoretical Study on Hydrogen Storage and Promoter Effect of Binary Clathrate Hydrates[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(1): 20230383.

Figures/Tables 6

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