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【純計(jì)算】IJHE：BC6N單層作為環(huán)境溫度和壓力下高效可逆儲(chǔ)氫材料

成果簡(jiǎn)介

二維材料的出現(xiàn)使得基于物理吸附的H₂存儲(chǔ)成為傳統(tǒng)儲(chǔ)氫技術(shù)的有效替代方案。然而，大多數(shù)2D材料需要添加金屬原子或施加電場(chǎng)才能滿足美國(guó)能源部(DOE)制定的應(yīng)用目標(biāo)。基于密度泛函理論 (DFT)，印度科學(xué)教育研究所Sudipta Dutta、Sreejani Karmakar等人對(duì)BC₆N單層作為環(huán)境溫度和壓力下高效可逆儲(chǔ)氫材料進(jìn)行了研究。

計(jì)算方法

作者采用VASP軟件進(jìn)行密度泛函理論（DFT）計(jì)算，并采用了具有投影增廣波（PAW）勢(shì)的平面波基組，以及將截?cái)嗄茉O(shè)置為520eV。作者采用含有Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函的廣義梯度近似（GGA）來(lái)描述交換關(guān)聯(lián)作用。

此外，作者使用Grimme方法（DFT-D2）中的色散校正來(lái)處理范德華力。在結(jié)構(gòu)馳豫過(guò)程中，作者將能量和Hellmann–Feynman力的收斂標(biāo)準(zhǔn)分別設(shè)置為10^-6 eV和0.01eV/?，并且采用9×9×1的K點(diǎn)網(wǎng)格對(duì)布里淵區(qū)進(jìn)行采樣。作者沿垂直方向設(shè)置了20?的真空層，以屏蔽相鄰層之間的相互作用。

結(jié)果與討論

【純計(jì)算】IJHE：BC6N單層作為環(huán)境溫度和壓力下高效可逆儲(chǔ)氫材料

圖1 模型結(jié)構(gòu)和吸附能

如圖1a所示，BC₆N單層的晶格常數(shù)為4.979?，角度為60°，其中C-C、C-N和C-B的鍵長(zhǎng)分別為1.413?、1.453?和1.471?。如圖1b所示，通過(guò)比較不同的吸附能發(fā)現(xiàn)，H₂以垂直方式優(yōu)先吸附在Cent1位點(diǎn)，然后是Cent2位點(diǎn)。

圖2 H₂數(shù)量和結(jié)合能關(guān)系

如圖2所示，結(jié)合能隨著H₂數(shù)量的增加而逐漸降低，這是由于H₂之間的靜電排斥作用造成的。此外，垂直線右側(cè)的區(qū)域和水平線上方的區(qū)域分別表示DOE存儲(chǔ)目標(biāo)和實(shí)際使用的理想結(jié)合能范圍。作者分別用S和D表示單面和雙面吸附構(gòu)型，并且發(fā)現(xiàn)通過(guò)在每側(cè)放置2個(gè)H₂分子（D4構(gòu)型）比在單側(cè)放置4個(gè)H₂分子（S4構(gòu)型）更容易實(shí)現(xiàn)7.69wt%的儲(chǔ)氫容量。最后，作者發(fā)現(xiàn)BC₆N單層可以實(shí)現(xiàn)11.11%的儲(chǔ)氫容量。

圖3 PDOS

如圖3所示，H₂的貢獻(xiàn)峰出現(xiàn)在價(jià)帶深處，范圍為?4 eV至?7 eV，主峰在?5.5 eV，而導(dǎo)帶貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)。如圖3（a）和3（b）所示，當(dāng)單側(cè)負(fù)載從1增加到4時(shí)，DOS重疊增加，導(dǎo)帶中也出現(xiàn)更多的峰，這意味著相互作用逐漸增加。特別是在4個(gè)H₂分子吸附的情況下，價(jià)帶（?4到?8eV區(qū)域）和導(dǎo)帶（+5到＋9eV區(qū)）都存在顯著的峰重疊。當(dāng)進(jìn)行兩側(cè)負(fù)載時(shí)，H₂對(duì)PDOS的貢獻(xiàn)增加了一倍，而B(niǎo)C₆N單層的貢獻(xiàn)保持不變，具體圖3c和3d所示。

圖4 吸附溫度和外部壓力的關(guān)系

這如圖4所示，在1個(gè)大氣壓下，單側(cè)（S4:7.69 wt%）和雙側(cè)（D6:111.11 wt%）最大負(fù)載的解吸溫度分別為75.99°C和118.23°C，兩者都在理想范圍內(nèi)。因此，H₂的解吸是很容易通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的。此外，這些結(jié)果表明，BC₆N單層的存儲(chǔ)容量對(duì)于應(yīng)用場(chǎng)景中的壓力變化是相當(dāng)穩(wěn)定的。

結(jié)論與展望

2DBC₆N單層的存儲(chǔ)容量為11.11 wt%，每H₂的結(jié)合能為0.139 eV。在1個(gè)大氣壓下，溫度高于118.23°C即可發(fā)生解吸。對(duì)不同外部壓力下解吸溫度的研究表明了BC₆N單層的巨大商業(yè)應(yīng)用前景。在環(huán)境條件下如此高的吸收能力使BC₆N單層在可逆儲(chǔ)氫方面具有巨大應(yīng)用前景。

文獻(xiàn)信息

Sreejani Karmakar et.al Pristine BC₆N monolayer as highly efficient reversible hydrogen storage material under ambient temperature and pressure International Journal of Hydrogen Energy 2023

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.011

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