Theoretical Investigation of Hydrogen Storage Properties of Sc， Ti， V-decorated and B/N-doped Monovacancy Graphene

doi:10.7503/cjcu20210354

Abstract

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

CLC Number:

O643

TrendMD:

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[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2842.

Figures/Tables 12

References 58

1	Gomes I. L. R.， Pousinho H. M. I.， Melício R.， Mendes V. M. F.， Energy， 2017， 124， 310—320
2	Niaz S.， Manzoor T.， Pandith A. H.， Renewable Sustainable Energy Rev.， 2015， 50， 457—469
3	Møller K. T.， Jensen T. R.， Akiba E.， Li H. W.， Prog. Nat. Sci.： Mater. Int.， 2017， 27（1）， 34—40
4	Hirscher M.， Yartys V. A.， Baricco M.， Bellosta V. C. J.， Blanchard D.， Bowman R. C.， Broom D. P.， Buckley C. E.， Chang F.， Chen P.， Cho Y. W.， Crivello J. C.， Cuevas F.， David W. I. F.， Jongh P. E. D.， Denys R. V.， Dornheim M.， Felderhoff M.， Filinchuk Y.， Froudakis G. E.， Grant D. M.， Gray E. M.， Hauback B. C.， He T.， Humphries T. D.， Jensen T. R.， Kim S.， Kojima Y.， Latroche M.， Li H. W.， Lototskyy M. V.， Makepeace J. W.， Møller K. T.， Naheed L.， Ngene P.， Noréus D.， Nygård M. M.， Orimo S. I.， Paskevicius M.， Pasquini L.， Ravnsbæk D. B.， Veronica S. M.， Udovic T. J.， Vegge T.， Walker G. S.， Webb C. J.， Weidenthaler C.， Zlotea C.， J. Alloys Compd.， 2020， 827， 153548
5	Hanley E. S.， Deane J. P.， Gallachóir B. P. Ó.， Renewable Sustainable Energy Rev.， 2018， 82， 3027—3045
6	Wei T. Y.， Lim K. L.， Tseng Y. S.， Chan S. L. I.， Renewable Sustainable Energy Rev.， 2017， 79， 1122—1133
7	Salehabadi A.， Umar M. F.， Ahmad A.， Ahmad M. I.， Ismail N.， Rafatullah M.， Int. J. Energy Res.， 2020， 44（14）， 11044—11058
8	Alekseeva O. K.， Pushkareva I. V.， Pushkarev A. S.， Fateev V. N.， Nanotechnol. Russ.， 2020， 15， 273—300
9	García⁃Holley P.， Schweitzer B.， Islamoglu T.， Liu Y.， Lin L.， Rodriguez S.， Rodriguez S.， Weston M. H.， Hupp J. T.， Gómez⁃ Gualdrón D. A.，Yildirim T.， Farha O. K.， ACS Energy Lett.， 2018， 3（3）， 748—754
10	Jose B. V. C.， Ares J.R.， Barale J.， Baricco M.， Buckley C.， Capurso G.， Gallandat N.， Grant D. M.， Guzik M. N.， Jacob I.， Jensen E. H.， Jensen T.， Jepsen J.， Klassen T.， Lototskyy M. V.， Manickam K.， Montone A.， Puszkiel J.， Sartori S.， Sheppard D. A.， Stuart A.， Walker G.， Webb C. J.， Yang H.， Yartys V.， Züttel A.， Dornheim M.， Int. J. Hydrogen Energy， 2019， 44（15）， 7780—7808
11	Moradi R.， Groth K. M.， Int. J. Hydrogen Energy， 2019， 44（23）， 12254—12269
12	Shiraz H. G.， Tavakoli O.， Renewable Sustainable Energy Rev.， 2017， 74， 104—109
13	Nachimuthu S.， He L.， Cheng H.， Tiono R. D.， Jiang J.， Sustainable Energy & Fuels， 2021， 5（7）， 2159—2168
14	Kubas G. J.， Chem Rev.， 2007， 107， 4152—4205
15	Jena P.， J. Phys. Chem. Lett.， 2011， 2， 206—211
16	Niu J.， Rao B. K.， Jena P.， Phys. Rev. Lett.， 1992， 68（15）， 2277
17	Guo Y.， Lan X.， Cao J.， Xu B.， Xia Y.， Yin J.， Liu Z.， Int. J. Hydrogen Energy， 2013， 38（10）， 3987—3993
18	Satyapal S.， Petrovic J.， Read C.， Thomas G.， Ordaz G.， Catal. Today， 2007， 120， 246—256
19	Sun Q.， Wang Q.， Jena P.， Kawazoe Y.， J. Am. Chem. Soc.， 2005， 127（42）， 14582—14583
20	Valencia H.， Gil A.， Frapper G.， J. Phys. Chem. C， 2015， 119（10）， 5506—5522
21	Ma L. J.， Wang J.， Han M.， Jia J.， Wu H. S.， Zhang X.， Energy， 2019， 171（15）， 315—325
22	Dixit M.， Adit M. T.， Ghatak K.， Ahuja R.， Pal S.， J. Phys. Chem. C， 2012， 116（33）， 17336—17342
23	Manade M.， Vines F.， Gil A.， Illas F.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2018， 20， 3819—3830
24	Long J.， Li J.， Nan F.， Yin S.， Li J.， Cen W.， Appl. Surf. Sci.， 2018， 435（30）， 1065—1071
25	Banerjee P.， Thapa R.， Rajkamal A.， Chandrakumar K. R. S.， Das G. P.， Int. J. Hydrogen Energy， 2019， 44（41）， 23196—23209
26	Faye O.， Hussain T.， Karton A.， Szpunar J.， Nanotechnology， 2019， 30（7）， 075404
27	Granja⁃DelRío A.， Alonso J. A.， López M. J.， Comput. Theor. Chem.， 2017， 1107（1）， 23—29
28	Nachimuthu S.， Lai P. J.， Jiang J. C.， Carbon， 2014， 73， 132—140
29	Alhameedi K.， Hussain T.， Bae H.， Jayatilaka D.， Lee H.， Karton A.， Carbon， 2019， 152， 344—353
30	Gao H.， Song L.， Guo W.， Huang L.， Yang D.， Wang F.， Carbon， 2012， 50（12）， 4476—4482
31	Lin Y. C.， Teng P. Y.， Yeh C. H.， Koshino M.， Chiu P. W.， Suenaga K.， Nano Lett.， 2015， 15（11）， 7408—7413
32	Wang L.， Yang F.， Yang R.， AIChE J.， 2009， 55（7）， 1823—1833
33	Liu P.， Liang J.， Xue R.， Int. J. Hydrogen Energy， 2019， 44（51）， 27853—27861
34	Luo Z.， Fan X.， Pan R.， An Y.， Int. J. Hydrogen Energy， 2017， 42（5）， 3106—3113
35	Mananghaya M.， Rodulfo E.， Santos G. N.， Villagracia A. R.， Ladines A. N.， J. Nanomater.， 2012， 2012， 104891
36	Mananghaya M.， Yu D.， Santos G. N.， Rodulfo E.， Sci. Rep.， 2016， 6， 27370
37	Liang X.， Ng S. P.， Ding N.， Wu C. M. L.， Appl. Surf. Sci.， 2019， 473（15）， 174—181
38	Song N.， Wang Y.， Sun Q.， Jia Y.， Appl. Surf. Sci.， 2012， 263（15）， 182—186
39	Valencia H.， Gil A.， Frapper G.， J. Phys. Chem. C， 2015， 119（10）， 5506—5522
40	Wang J.， Chen Y.， Yuan L.， Zhang M.， Zhang C.， Molecules， 2019， 24（13）， 2382
41	Kresse G.， Furthmüller J.， Phys. Rev. B， 1996， 54（16）， 11169—11186
42	Perdew J. P.， Burke Kieron.， Ernzerhof M.， Phys. Rev. Lett.， 1996， 77（18）， 3865—3868
43	Blöchl P. E.， Phys. Rev. B， 1994， 50（24）， 17953—17979
44	Chadi D. J.， Phys. Rev. B， 1977， 16（4）， 1746—1747
45	Grimme S.， Antony J.， Ehrlich S.， Krieg S.， J. Chem. Phys.， 2010， 132， 154104
46	Grimme S.， Ehrlich S.， Goerigk L.， J. Comput. Chem.， 2011， 32（7）， 1456—1465
47	Zhou X.， Qiao J.， Yang L.， Zhang J.， Adv. Energy Mater.，2014， 4， 1301523
48	Gao H.， Song L.， Guo W.， Huang L.， Yang D.， Wang F.， Carbon， 2012， 50， 4476-4482
49	Parambhath V. B.， Nagar R.， Ramaprabhu S.， Langmuir，2012， 28， 7826-7833
50	Gu J.， Du Q.， Han Y.， He Z.， Li W.， Zhang J.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2014， 16（46）， 25498—25507
51	Lazar P.， Zboril R.， Pumera M.， Otyepka M.， Phys. Chem. Chem. Phys.， 2014， 16（27）， 14231—14235
52	Hou M.， Cen W.， Nan F.， Li J.， Chu Y.， Yin H.， RSC Adv.， 2015， 6（9）， 7015—7021
53	Charles K.， Introduction To Solid State Physics， 8th Ed.， John Wiley & Sons， In.， Hoboken， 2005
54	Ernst O. K.， Bartol T.， Sejnowski T.， Mjolsness E.， J. Chem. Phys.， 2018， 149（3）， 034107
55	Luo Z.， Fan X.， Pan R.， An Y.， Int. J. Hydrogen Energy， 2017， 42（5）， 3106—3113
56	Hussain T.， Mortazavi B.， Bae H.， Rabczuk T.， Lee H.， Karton A.， Carbon， 2019， 147， 199—205
57	Liu P.， Liang J.， Xue R.， Du Q.， Jiang M.， Int. J. Hydrogen Energy， 2019， 44（51）， 27853—27861
58	Jia J.， Li X.， Ma L.， Wu H. S.， Comput. Theor. Chem.， 2014， 1027（1）， 128—134

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	—	—	—
Sc?BMG	-3.90^［53］	-4.51	0.199—0.208	0.245—0.378	0.007	1.44
Ti?BMG	-4.85^［53］	-4.26	0.182—0.232	0.211—0.317	0.003	1.16
V?BMG	-5.31^［53］	-5.02	0.220—0.249	0.180—0.255	0.023	0.87
NMG	—	—	0.260—0.261	—	—	—
Sc/NMG	-3.90^［53］	-6.69	0.272—0.273	0.198—0.199	0.168	1.66
Ti/NMG	-4.85^［53］	-6.89	0.238—0.308	0.180—0.212	0.165	1.40
V/NMG	-5.31^［53］	-7.48	0.238—0.293	0.172—0.205	0.158	1.25

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	—	—	—
Sc?BMG	-3.90^［53］	-4.51	0.199—0.208	0.245—0.378	0.007	1.44
Ti?BMG	-4.85^［53］	-4.26	0.182—0.232	0.211—0.317	0.003	1.16
V?BMG	-5.31^［53］	-5.02	0.220—0.249	0.180—0.255	0.023	0.87
NMG	—	—	0.260—0.261	—	—	—
Sc/NMG	-3.90^［53］	-6.69	0.272—0.273	0.198—0.199	0.168	1.66
Ti/NMG	-4.85^［53］	-6.89	0.238—0.308	0.180—0.212	0.165	1.40
V/NMG	-5.31^［53］	-7.48	0.238—0.293	0.172—0.205	0.158	1.25

nH₂?Sc/BMV	E_c/eV	E_a/eV	d_H—H/nm	d_Sc—H/nm
n=1	-0.23	-0.23	0.077	0.208—0.234
n=2	-0.63	-0.43	0.080—0.083	0.202—0.214
n=3	-0.50	-0.24	0.079—0.081	0.206—0.215
n=4	-0.22	-0.22	0.078—0.082	0.205—0.226
n=5	-0.17	-0.18	0.077—0.082	0.205—0.225

nH₂?Sc/BMV	E_c/eV	E_a/eV	d_H—H/nm	d_Sc—H/nm
n=1	-0.23	-0.23	0.077	0.208—0.234
n=2	-0.63	-0.43	0.080—0.083	0.202—0.214
n=3	-0.50	-0.24	0.079—0.081	0.206—0.215
n=4	-0.22	-0.22	0.078—0.082	0.205—0.226
n=5	-0.17	-0.18	0.077—0.082	0.205—0.225

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
	n=3	-0.17	-0.24	0.076—0.078	0.222—0.238
	n=4	-0.13	-0.22	0.077—0.078	0.231—0.243
	n=5	-0.06	-0.18	0.075—0.078	0.228—0.370
	n=6	-0.08	-0.17	0.075—0.076	0.264—0.375
nH₂?Ti/NMV	n=1	-0.055（-0.083）	-0.055（-0.083）	0.085（0.173）		0.182—0.187
	n=2	-0.035（-0.010）	-0.045（-0.046）	0.083—0.161		0.162—0.186
nH₂?V/NMV	n=1	-0.70（-0.72）	-0.70（-0.72）	0.086（0.197）			0.169—0.178
	n=2	-0.40（-0.23）	-0.55（-0.47）	0.070—0.165			0.153—0.209
	n=3	-0.37（-0.12）	-0.49（-0.36）	0.084—0.190			0.163—0.203
	n=4	0.39（-0.49）	-0.27（-0.39）	0.086—0.156			0.161—0.198