Sc, Ti, V修饰B/N掺杂单缺陷石墨烯的储氢研究

doi:10.7503/cjcu20210354

摘要/Abstract

摘要：

3d过渡金属修饰是改善石墨烯储氢性能的最有效途径, 但仍存在金属团聚和H₂解离导致难以脱附的问题. 提出了B/N掺杂单缺陷石墨烯(BMG/NMG)的策略来避免以上两个问题. 密度泛函理论计算结果表明, N掺杂可以使Sc, Ti, V与石墨烯的结合能提高3~4倍, B掺杂可以将Sc与石墨烯的结合能提高3倍. Sc/BMG和Sc/NMG吸附的第一个H₂不会解离. Sc/BMG中Sc吸附5个H₂, 平均氢分子结合能为-0.18～-0.43 eV, 并且可以通过在同侧锚定多个Sc原子形成Sc/C₃B₂五元环增加H₂吸附位点. Sc/NMG中每个Sc吸附6个H₂, 平均氢分子结合能为-0.17～-0.29 eV, 还可以通过在异侧修饰形成Sc/N₃/Sc单元进一步提高储氢能力. 研究结果将为设计基于3d过渡金属修饰碳材料的储氢材料提供理论基础.

关键词: 储氢, 硼/氮掺杂, 单缺陷石墨烯, 过渡金属, 密度泛函理论

Abstract:

3d Transition-metal decorating is the most effective way to improve the hydrogen storage performance of graphene. However， metal agglomeration and dissociation of H₂ greatly limit their application. In this paper， B/N doping was proposed to avoid the above two problems. Density functional theory calculations show that the binding energy of Sc can be greatly increased by B/N doping. Both Sc/BMG and Sc/NMG can be used as potential hydrogen storage materials because the first adsorbed H₂ is molecular. Sc/BMG could adsorb 5H₂ with the average hydrogen adsorption energy of -0.18─-0.43 eV. The H₂ adsorption sites of BMG could be increased by forming multiple Sc/C₃B₂ units. Sc/NMG could adsorb 6H₂ with the average hydrogen adsorption energy of -0.17─-0.29 eV. The hydrogen storage capacity of Sc/NMG could be further improved by the formation of Sc/N₃/Sc units.

Key words: Hydrogen storage, B/N-doped, Monovacancy graphene, 3d Transition metal, Density functional theory

中图分类号:

O643

TrendMD:

马丽娟, 高升启, 荣祎斐, 贾建峰, 武海顺. Sc, Ti, V修饰B/N掺杂单缺陷石墨烯的储氢研究. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2842.

MA Lijuan, GAO Shengqi, RONG Yifei, JIA Jianfeng, WU Haishun. Theoretical Investigation of Hydrogen Storage Properties of Sc， Ti， V-decorated and B/N-doped Monovacancy Graphene. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2842.

图/表 12

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System	TM cohesive energy/（eV·atom^-1）	E_TM/eV	d_B—B or d_N—N/nm	d_TM—B or d_TM—N/nm	Δz/nm	Charge/\|e\|
BMG	—	—	0.220—0.221	—	—	—
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Sc/NMG	-3.90^［53］	-6.69	0.272—0.273	0.198—0.199	0.168	1.66
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System	TM cohesive energy/（eV·atom^-1）	E_TM/eV	d_B—B or d_N—N/nm	d_TM—B or d_TM—N/nm	Δz/nm	Charge/\|e\|
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nH₂?Sc/BMV	E_c/eV	E_a/eV	d_H—H/nm	d_Sc—H/nm
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nH₂?Sc/BMV	E_c/eV	E_a/eV	d_H—H/nm	d_Sc—H/nm
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System	n	E_c/eV	E_a/eV	d_H—H/nm	d_Sc—H/nm	d_Ti—H/nm	d_V—H/nm
nH₂?Sc/NMV	n=1	-0.29	-0.29	0.078	0.223—0.232
	n=2	-0.27	-0.28	0.077—0.078	0.222—0.238
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	n=2	-0.40（-0.23）	-0.55（-0.47）	0.070—0.165			0.153—0.209
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