【MS纯计算】IJHE:密度泛函研究Li修饰的二维rida-石墨烯对H2的吸附行为

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作为一种新型的清洁能源载体,氢分子(H2)由于其重量轻、储量丰富、热值高、环境友好等优势,在不久的将来有望取代传统的化石燃料。成都大学张亚飞等人采用密度泛函理论和范德华(vdW)色散校正方法,系统研究了Li修饰的二维(2D)Irida-石墨烯(IG)对H2的吸附行为。

计算方法

作者使用DMol3模块进行几何优化和性质计算,其中电子和原子核之间的交换关联作用是通过广义梯度近似(GGA)中的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函进行的。

作者采用双数值正极化(DNP)基组来满足计算精度的需求,并使用Grimme的DFT-D方法来处理范德华(vdW)作用。对于布里渊区(BZ)采样,作者分别采用5×5×1 k点网格和7×7×1 k点网格进行结构弛豫和性质计算。

此外,作者将能量的收敛阈值设置为1×10−5 Hartree,最大力的收敛阈值设置为0.002 Hartree∙Å−1,最大位移的收敛阈值设置为0.005Å,自洽场的收敛阈值设置为10−6 Hartree。作者将真空层的厚度设置为20Å,以消除周期性相互作用。
结果与讨论
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图1. IG模型结构、能带结构和PDOS以及电子局域函数(ELF)
如图1a和1b所示,IG的空间群为P6/mmm(No.191),其晶胞由12个碳原子组成,相应的晶格常数为a=b=6.34Å。从能带结构(图1c)中可以看出,IG呈现金属性,并且PDOS证明IG具有非磁性。
此外,作者通过电子局域函数(ELF)分析发现,电子主要聚集在碳-碳键周围,这表明碳原子之间形成了强共价键。此外,八边形碳环中心的ELF值为零,表明此处没有电子分布。而其他绿色区域表示离域的、未配对的电子。
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图2. 声子色散谱和AIMD模拟
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图3. 杨氏模量和泊松比的空间分布
如图2a所示,在布里渊区中不存在任何虚模,表明IG具有优异的动力学稳定性。此外,作者还使用300 K的AIMD模拟来验证IG的热稳定性,总模拟时间为4 ps,相应的时间间隔为1 fs,计算结果如图2(b,c)所示。AIMD模拟发现,势能和温度在很小的范围内波动,这表明系统趋于稳定,并且IG结构没有解体。
因此,AIMD模拟证实IG具有良好的热稳定性。为了验证IG的机械稳定性,作者计算的五个独立弹性常数分别为C11=273.45GPa、C12=76.23GPa、C13=0.09GPa、C33=3.65GPa和C44=1.62GPa。如图3所示,杨氏模量和泊松比在不同方向上具有各向异性。
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图4. 电荷布居、差分电荷密度和PDOS
如图4a所示,Li原子倾向于结合在八边形碳环(位点1)的顶部,并且作者通过电荷布居分析发现,Li原子将0.509|e|的电荷转移到IG。
此外,图4b中的差分电荷密度(CDD)从另一个方面揭示了电子的增益和损失,黄色区域和蓝色区域分别表示电荷耗散和累积,即电荷从Li原子转移到相邻的C原子,这使得Li原子可以牢固地锚定在IG表面。此外,在Li的s轨道和C的p轨道之间存在轨道杂化,具体如图4d所示。
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图5. Li修饰IG单侧吸附H2的模型结构
如图5a所示,一个H2吸附能为-0.299eV/H2,H2键长为0.755Å,这表明H2和Li/IG复合物之间存在强相互作用。当在Li原子周围加入第二个H2分子时,优化的结构如图5b所示。由于强排斥相互作用,两个H2分子分布在Li原子的两侧,每个H2分子的吸附能为−0.286 eV/H2。Li/IG复合物上第三个H2分子吸附的优化结构如图5c所示,H2分子形成三角形并稳定地吸附在Li原子周围,平均H2吸附能为-0.263 eV/H2
然而,当加入第四个H2分子时,优化的结构如图5d所,尽管计算出的平均H2吸附能为-0.204 eV,而连续的H2的吸附能仅为-0.027 eV,这无法有效捕获H2分子。换言之,第四个H2分子由于具有低的连续吸附能而没有被捕获。为了实现高储氢容量,8H2和16H2吸附的8Li/IG复合物的优化结构如图5e和5f所示,8Li/IG复合物周围可以捕获8H2和16H2分子,平均H2吸附能分别为−0.235 eV/H2和−0.230 eV/H2
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图6. Li修饰IG双侧吸附H2的模型结构
为了捕获更多的H2分子,作者研究了H2在双侧Li修饰IG上的吸附。八个Li原子以−2.29 eV的结合能稳定结合在IG的两侧。
如图6所示,H2吸附能随着H2分子的增加而逐渐降低,并且8Li/IG复合物可以容纳24个H2分子,相应的吸氢密度高达7.06wt%,这超过了DOE 2025年的目标。
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图7. 24H2/8Li/IG的差分电荷密度
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图8. 24H2/8Li/IG的静电势分布
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图9. 24H2/8Li/IG的PDOS
为了阐明8Li/IG复合物的储氢机制,作者计算了24H2/8Li/IG构型的差分电荷密度、静电势分布和PDOS。如图7所示,黄色区域和蓝色区域分别代表电荷耗散和累积,而对于吸附的H2分子,一侧是黄色区域,另一侧是蓝色区域,表明H2在吸附过程发生极化。此外,Li原子将其电子转移到IG并成为Li+正离子(见图7黄色区域),这导致在其周围空间中产生静电场,具体如图8所示。因此,H2分子被极化并稳定地吸附在Li原子周围。

此外,轨道杂化是H2吸附的另一个关键因素。从图9中的PDOS可以看出,在费米能级以下−11 eV至−8 eV以及费米能级以上1 eV至3 eV的范围内,H2分子和修饰的Li原子之间具有显著的杂化峰,轨道杂化进一步加强了H2分子与8Li/IG复合物之间的相互作用。

总结展望
结果表明,H2和原始IG之间的吸附能非常弱,而Li修饰的IG可以显著提高H2的吸附能。由于具有较大的结合能,Li原子可以稳定地结合在IG的八边形碳环顶部,并有效阻止了Li原子的团聚。

此外,单面Li修饰IG和双面Li修饰IG可以吸附16H2分子和24H2分子,相应的H2吸附能分别为−0.230 eV/H2和−0.276 eV/H2,并且储氢重量密度高达7.06wt%,这超过了美国能源部(DOE)制定的最新标准(6.5wt%)。综上,Li修饰的IG可以作为车载移动应用的储氢材料。

文献信息
Ya-Fei Zhang and Junxiong Guo Li-decorated 2D Irida-graphene as a potential hydrogen storage material: A dispersion-corrected density functional theory calculations International Journal of Hydrogen Energy 2023,

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.08.282

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