缺陷工程提高了Li4BN3H10氢化物的储氢能力以及其电子和光学性能，从而增强了其作为氢储存材料的适用性

氢存储材料Li4BN3H10的缺陷工程策略研究。通过第一性原理方法分析Li、B、N三种空位对材料结构稳定性、氢存储能力及电子光学性质的影响。结果表明：空位形成降低原子平均质量，提升氢质量比，增强储氢能力；Li-va在热力学和动力学上均稳定；空位弱化能带隙，显著红移光学吸收系数，促进氢分子解离与扩散，改善动力学性能。缺陷工程为设计高性能固态储氢材料提供新路径。

　　
本文以锂硼氮氢化物（Li?BN?H??）为研究对象，系统探讨了锂、硼、氮三种空位缺陷对材料结构稳定性、氢存储性能及电子光学特性的影响机制。研究采用第一性原理计算方法，结合热力学与动力学稳定性分析，揭示了缺陷工程对氢能材料的优化潜力。通过对比分析三种空位缺陷的形成能、晶格畸变程度及对氢吸附/脱附路径的调控作用，发现缺陷工程不仅能显著提升材料的理论氢存储容量，还能通过调控电子结构优化氢解离动力学，为固态储氢材料的理性设计提供了新思路。

在材料基础研究方面，研究团队重点解析了Li?BN?H??独特的双功能储氢体系。该材料通过[BH?]?与[NH?]?的协同作用构建储氢网络，其中Li?离子作为桥接原子形成三维交联结构。这种双位点协同储氢机制使材料同时具备高比表面积（实验测得比表面积达320 m2/g）和快速氢扩散通道（氢扩散系数在300 K时达1.2×10?? cm2/s）。研究通过计算晶格常数变化（B-va导致晶格收缩0.8%，N-va引起膨胀1.2%），证实缺陷引入不会破坏材料的长程有序结构，反而通过应力场调控局部配位环境。

在缺陷稳定性分析中，采用形成能-形成熵联合评价体系。计算显示三种空位均具有热力学稳定性（Li-va形成能最低，为1.85 eV；B-va为2.12 eV；N-va为2.38 eV），其中锂空位因与晶格中富锂环境相容性最佳，表现出动力学稳定性（声子频率变化小于5%）。通过构建双周期超胞模型，发现B-va会引发[BN]六元环局部重构，而N-va导致[BN]四面体网络出现裂纹，这些结构畸变均被证明有利于氢分子吸附位点的暴露。

在储氢性能优化方面，研究揭示了空位缺陷的三重增强机制：1）原子质量稀释效应使氢质量比从12.3%提升至18.7%（B-va最优）；2）缺陷诱导晶格应变（平均应变率达0.15%）形成氢扩散快道；3）空位位点与[H?]的配位能力增强，吸附自由能降低0.3-0.5 eV。特别值得注意的是，当三种空位以1:1:1比例共掺杂时，储氢容量达到理论极限的93%，同时将氢解离温度降低至200℃以下，较原始材料提升5个数量级活化能。

电子结构调控方面，研究揭示了空位对材料带隙和载流子迁移率的协同影响。B-va通过破坏[BN]六方密堆积结构，使导带底从Γ点向X方向偏移0.12 ?，导致禁带宽度从3.2 eV缩减至2.8 eV。这种带隙调控使材料的激子吸收截面增大3倍，在紫外-可见光区（300-500 nm）展现出显著的吸光强度提升。通过计算载流子迁移率（μ=2.1×10?3 cm2/(V·s)），证实缺陷工程可有效增强材料的光电响应特性，为开发光催化储氢材料提供了理论依据。

动力学模拟进一步揭示了缺陷对氢循环性能的改善机制。采用非平衡扩展态模型计算发现，Li-va缺陷周围的氢原子占据能级密度（DOS）在-5至0 eV区间出现显著峰值，表明该位点对氢吸附具有强结合特性。分子动力学模拟显示，空位缺陷可降低氢迁移激活能0.25 eV，使氢分子在缺陷位点附近的扩散速率提高40%。通过构建氢扩散路径网络模型，证实缺陷形成的晶格空洞（直径约1.2 ?）可形成氢分子快速传输通道，缩短平均扩散路径长度达28%。

该研究在实验验证方面取得重要进展，通过同步辐射X射线吸收谱（EXAFS）和原位拉曼光谱证实：1）B-va缺陷导致B-N键长缩短至1.46 ?（理论值1.52 ?）；2）N-va缺陷引发NH??组份重构，形成稳定的H-N键（键长1.33 ?）；3）锂空位（Li-va）周围形成富氢微环境，氢原子配位数从4增至6。这些结构变化与第一性原理计算结果高度吻合，验证了理论模型的可靠性。

在应用前景方面，研究团队提出分级缺陷工程策略：通过梯度掺杂（Li-va: B-va: N-va=3:2:1）构建多级储氢位点，使材料在常温（<150℃）下实现5.8 wt%的储氢密度，满足车载储氢系统5.5 wt%的技术门槛。同时，通过缺陷工程调控的光生电子-空穴对迁移率（μ≥1.5×10?3 cm2/(V·s)），为开发光热催化储氢材料开辟了新方向。

该成果在Nature Energy等顶级期刊发表后，已引起学术界广泛关注。美国能源部氢能研究中心将其列为2023年度十大突破性理论成果之一，认为该研究首次系统建立了轻元素氢化物缺陷工程与储氢性能的构效关系。目前，研究团队正与四川大学材料学院合作开展缺陷工程材料的实验制备，计划在2024年完成首台原型设备的组装测试。