西安建筑科技大学Jinbo Hao和北京邮电大学–氮掺杂或硼掺杂孪晶T-石墨烯作为先进的可逆储氢介质

二维碳基材料因其优异的化学稳定性和高比表面积而被认为是潜在的储氢介质。最近报道了一种新的具有三原子层厚度的二维碳同素异形体孪晶T-石墨烯(TTG)。基于此，我们采用密度泛函理论(DFT)计算研究系统地求解了孪晶T-石墨烯，氮掺杂(N-掺杂)TTG和硼掺杂(B-掺杂)TTG，并评估了它们在可操作热力学条件下的储氢性能。6个氢分子吸附在原始孪晶T-石墨烯上，储氢容量为7.69 wt%。经N掺杂和B掺杂后，孪晶T-石墨烯均能吸附8个氢分子，储氢容量分别提高到9.88 wt%和10.06 wt%。此外，我们发现加氢/脱氢(脱附)温度预测为241 K。实际条件下氢气的解吸温度和解吸能力进一步表明，它可以作为可逆储氢介质。研究表明，孪晶T-石墨烯、N-掺杂和B-掺杂孪晶T-石墨烯具有良好的脱附温度、理想的吸附能和较高的储氢容量，是一种很有前途的储氢材料。同时，本研究将拓展杂原子掺杂碳基材料的应用。

图1. 完全松弛TTG、N-TTG和B-TTG的初基胞和2×2×1几何构型。(a) TTG (b) N-TTG (c) B -TTG的俯视图和侧视图。

图2. 基于GGA-PBE的能带结构，以及投影态密度(PDOS)。(a-b) TTG， (c-d) N-TTG， (e-f) B-TTG，

图3. (a) TTG (b) N-TTG和(c) B -TTG的电子定域化函数(ELF)。(红色表示电子定域化程度高，蓝色表示电子定域化程度低。)

图4. 吸附在TTG上的nH₂ (n =2~ 8)分子最佳稳定构型的俯视图和侧视图。(圈出的H₂分子被认为是自由的，因为它们离基质太远了。)

图5. 吸附在N-TTG上的nH₂ (n = 2 ~ 10)分子最佳稳定构型的俯视图和侧视图。

图6. 吸附在B-TTG上的nH₂ (n = 2 ~ 10)分子最佳稳定构型的俯视图和侧视图。

图7. (a) 吸附在TTG (n =2 ~ 8)上H₂分子的PDOS H-s(黑线)轨道和C-p(红线)轨道;(b)吸附在N-TTG (n =2 ~ 8)上H₂分子的PDOS H-s(黑线)轨道、C-p(红线)轨道和N-p(蓝虚线)轨道;(c) 吸附在B-TTG 上H₂分子的PDOS H-s(黑线)轨道、C-p(红线)轨道和B-p(绿虚线)轨道。

图8. 吸附在(a) TTG (b) N-TTG和(c) B-TTG上两个H₂分子的电荷密度差。吸附在(d) TTG和(e) N-TTG (f) B-TTG上两个H₂分子的电子定域化函数。

图9. TTG、N-TTG和B-TTG储氢数-压力-温度(f-p-T)图。

相关研究成果由西安建筑科技大学理学院 Jinbo Hao和北京邮电大学信息与通信工程学院Xiaoning Guan等人于2023年发表在Applied Surface Science (https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156895 )上。原文：Nitrogen-doped or boron-doped twin T-graphene as advanced and reversible hydrogen storage media。