AI & Materials丨生物基材料 PEF 成高压储氢新希望!晶体结构揭秘其卓越氢阻隔机制

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作者：微信文章

文章导读


在高压储氢领域，材料的氢阻隔性能直接关系到储氢安全与效率。近期，一项发表于《AI & Materials》的研究聚焦生物基材料聚乙烯呋喃酸酯（PEF），通过分子动力学（MD）模拟结合密度泛函理论（DFT）计算，深入探究了 α-PEF 晶体的氢阻隔能力，并与传统的聚酰胺 6（PA6）和聚乙烯（PE）进行对比。

研究团队首先基于改进的 CVFF 力场构建 MD 模型，经 DFT 验证后，精准复现了 α-PEF 的关键晶体学特性（如晶格常数、表面能）与能量属性。DFT 计算显示，α-PEF 在压力环境下具备出色的多晶型稳定性，甚至可能在应力作用下发生晶型转变。MD 模拟发现，三种材料对氢均以弱物理吸附为主，但 PEF 因表面富氧特性，在低温下吸附作用更强，同时范德华力与库仑相互作用也更显著。

通过 nudged elastic band（NEB）计算，团队进一步量化了氢迁移能垒：PEF 的表面进入能垒（0.772 eV）、逃逸能垒（0.555 eV）与体相扩散能垒（0.828 eV）均远超 PA6 与 PE。深入分析表明，PEF 的优异阻隔性能不仅源于较高的体相密度，更关键的是链内氧原子形成的准共面分子陷阱，有效阻碍了氢分子运动。尽管低温下存在过度吸附风险，但 α-PEF 的晶体结构为其在高压储氢场景中的应用奠定了坚实基础，有望成为传统石油基材料的可持续替代方案。




文章亮点与内容01研究看点概览

PEF 展现出显著更高的扩散能垒（0.828 eV），约为PA6的 2.9倍、PE的26倍，彰显出卓越的氢阻隔能力。

PEF的渗透能垒（0.772 eV）比PA6高出20%，而逃逸能垒（0.555 eV）是PA6的3.2倍，为氢分子构建了双重动力学障碍。

揭示了四个氧原子的共面结构可通过引入额外能垒，显著增强材料对氢的扩散阻力。

02核心内容解读


这项研究围绕 “PEF 为何能成为高压储氢阻隔材料” 展开，遵循 “模型构建 - 性能验证 - 机制解析” 的清晰脉络，层层递进地揭开 PEF 晶体的氢阻隔奥秘。

在研究基础阶段，团队首先解决了 “模型可靠性” 问题。考虑到 PEF 存在 α、α'、β 等多种晶型，研究通过 DFT 计算对比了 6 种 PEF 晶型的热力学稳定性，发现 α-PEF 在 - 100 至 100 bar 压力范围内焓值最低，是最稳定的晶型，甚至在高压下可能诱导 α' 向 α 转变，这为后续研究选定了核心对象。同时，针对 CVFF 力场缺乏呋喃环与 C=O 官能团参数的问题，团队基于 DFT 结果优化了力场参数，并通过超胞尺寸依赖性分析验证：当采用 4×4×4 超胞时，PEF、PA6 与 PE 的晶格常数、表面能均趋于稳定，确保了 MD 模拟的准确性 —— 例如，优化后的 α-PEF 晶格常数与 DFT 结果偏差极小，密度（1.602 g/cm³）也与实验值（1.562 g/cm³）高度接近。

进入性能分析环节，研究从 “表面吸附” 与 “体内迁移” 两个维度展开。在表面吸附方面，团队通过能量轮廓图与亨利定律常数计算发现，三种材料均表现为弱物理吸附（吸附能绝对值均低于 0.1 eV），但 PEF 因表面氧原子密度高，范德华力（占比 136%）与库仑作用（贡献 32%）更突出，低温下吸附能力比 PA6、PE 高一个数量级。不过，这种优势随温度升高逐渐减弱，在 100℃时三者吸附能力趋于一致，这一发现为 PEF 的高温应用提供了参考。

而氢阻隔性能的核心差异，体现在 “迁移能垒” 的量化对比上。通过 NEB 计算，研究首次系统测算了三种材料在体相扩散（链向、法向、横向）与表面渗透（进入、逃逸）的能垒：PEF 在体相横向的能垒最高（1.105 eV），平均体相能垒（0.828 eV）是 PA6 的 2.9 倍、PE 的 25.9 倍；表面逃逸能垒（0.555 eV）更是 PA6 的 3.2 倍。进一步的结构分析揭示，PEF 的能垒优势源于独特的分子排列 —— 氢分子会与相邻链的四个氧原子形成近平面结构（氢氧距离约 2.4 Å），这种 “分子陷阱” 大幅提升了氢的迁移难度，而 PA6 与 PE 仅通过氢原子相互作用（距离分别为 2.0 Å、1.6 Å）阻碍氢迁移，效果远逊于 PEF。

最后，研究还指出了实际应用中的关键考量：虽然 PEF 晶体表现优异，但实际材料中的无定形区域因自由体积大，仍是氢吸附的主要场所，未来需结合晶 - 非晶界面特性进一步优化整体阻隔性能。这项研究不仅为 PEF 在高压储氢领域的应用提供了理论支撑，更建立了 “晶体结构 - 能垒特性 - 阻隔性能” 的关联模型，为新型阻隔材料的设计提供了重要思路。
03原文信息一览


题目：“Crystallographic insights into the hydrogen barrier mechanism of polyethylene furanoate (PEF) for high-pressure storage applications: comparison with polyamide 6 and polyethylene”
作者：Zhen Liu1, Yaolin Guo2, Bin Gu, Nianxiang Qiu, Xiaojing Bai, Yifan Li, Zheyu Hu, Muhammad Adnan, Yajie Zhang
刊名：《AI & Materials》
DOI：https://doi.org/10.55092/aimat20250013

引用：Liu Z, Guo Y, Gu B, Qiu N, Bai X, et al. Crystallographic insights into the hydrogen barrier mechanism of polyethylene furanoate (PEF) for high-pressure storage applications: comparison with polyamide 6 and polyethylene. AI Mater. 2025(2):0013, https://doi.org/10.55092/aimat20250013

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https://www.miragenews.com/bio-based-pef-top-hydrogen-barrier-for-storage-1537287/



期刊简介
AI & Materials拥有顶尖学者领衔的国际化编委团队。期刊主编由中国石油大学（华东）都时禹教授与法国国家科学研究中心（CNRS）主任Rabah Boukherroub博士共同担任，副主编团队由人工智能与材料科学领域的多位国际知名学者组成。编委会汇聚来自全球10余个国家、30余所知名科研机构的数十位杰出专家，涵盖多学科交叉领域，构建起具有国际视野与学术深度的专业支持体系。依托强大的学术平台与严格的同行评审机制，AI & Materials致力于发表具有原创性、前瞻性和影响力的高水平研究成果，为全球科研工作者提供一个展示创新思想、交流最新进展的重要平台。
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