Sc掺杂和N掺杂对二维Irida-graphene单层材料储氢能力的影响：第一性原理研究

《Applied Surface Science》：Effect of Sc decoration and N-doping on the hydrogen storage capacity of 2D Irida-graphene monolayer: first-principles investigation

氢存储材料Irida石墨烯（IG）及其Sc和N掺杂体系的吸附性能与稳定性研究。通过第一性原理计算和AIMD模拟，发现Sc-IG具有金属特性，Sc原子中心吸附5个H?分子，储氢密度7.95 wt%，Sc-NIG最高达9.31 wt%。吸附机制涉及库巴斯型相互作用和电荷极化。热稳定性模拟显示Sc-IG在700 K仍稳定，适合可逆储氢。

　　

史梦佳|袁丽华|苏俊燕|左荻|张有才|张海民|龚继军|马金元

兰州理工大学理学院，中国兰州730050

摘要

一种具有金属特性的新型石墨烯同素异形体——Irida-graphene（IG），在氢储存方面展现出巨大潜力。本研究通过第一性原理计算和从头算分子动力学（AIMD）模拟，研究了掺钪的IG（Sc-IG）及其氮掺杂版本（Sc-NIG）的氢储存能力。Sc-IG体系表现出半金属特性：Sc原子与IG单层的结合能可达?3.49?eV，每个Sc原子周围可吸附5个H₂分子，吸附能为?0.224?eV/H₂，从而实现7.95?wt%的氢储存容量。氮掺杂进一步增强了H₂分子的吸附能力。对于掺氮且经过Sc修饰的IG，一个Sc原子最多可吸附7个H₂分子，吸附能范围为?0.198至?0.308?eV/H₂。Sc-NIG体系的比重可达9.31?wt%。电子性质分析表明，H₂的吸附主要通过Kubas型相互作用和电荷极化机制实现。AIMD模拟证实了Sc-IG在700?K下的结构稳定性，该温度高于H₂的脱附温度，表明其具有可逆氢储存的应用潜力。

部分内容摘录

引言

石墨烯的发现促进了二维（2D）材料的探索，这些材料因其独特的物理化学性质而受到了包括凝聚态物理、材料科学、化学、能源和纳米技术在内的多个领域研究人员的广泛关注。实验和理论方法的持续进步使得许多新型2D材料的预测和合成成为可能，其中包括元素形式的2D材料。

计算方法

所有几何优化和电子性质计算均采用CASTEP代码完成。价电子之间的交换-相关相互作用通过Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函在广义梯度近似（GGA）下描述[53,54]。为了处理离子核与价电子之间的相互作用，采用了超软赝势。

结构与稳定性

IG是一种新型的二维碳同素异形体，属于六方空间群P6/mmm（No.191）。十二原子单元格的结构经过优化，最终结果见图S1（支持信息）。优化后的晶格参数为a?=?b?=?6.308 ?，与Pereira Júnior的研究结果一致[50]。图S1显示IG仅包含两种类型的C原子：与两个八元环和一个三元环相连的原子被标记为C1。

结论

总之，通过第一性原理计算，我们系统研究了新型Sc-IG体系的氢储存能力以及氮掺杂对IG电子结构和氢储存性能的影响。结果表明，Sc原子在IG单层上最稳定的吸附位点位于八元环的中心上方，结合能为?3.49?eV。Sc-IG体系的热力学稳定性通过扩散势垒分析和AIMD模拟得到了验证。

作者贡献声明

史梦佳：撰写初稿、数据整理、概念构思。袁丽华：撰写、审稿与编辑、项目管理、实验研究、数据分析。苏俊燕：方法研究、实验研究。左荻：实验研究、数据整理。张有才：数据分析、数据分析。张海民：数据分析、概念构思。龚继军：实验研究、概念构思。马金元：软件开发。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国甘肃省自然科学基金（项目编号：22JR5RA265）、甘肃省高校教师创新基金项目（项目编号：2023A-022）以及兰州理工大学博士发展基金（项目编号：061801）的支持。计算工作还得到了兰州理工大学高性能计算平台的支持。