锂修饰的TiB2 MBene展现出良好的氢储存性能：一项密度泛函理论（DFT）研究

《Materials Science and Engineering: B》：Promising hydrogen storage performance of lithium-decorated TiB2 MBene: A DFT study

氢存储材料研究：锂修饰的2D TiB?单层通过DFT和AIMD模拟，显示其结构稳定、电子特性优化，与氢结合能达-3.38 eV，吸附容量达5.24% wt和95 g/L，符合DOE能效目标。

　　氢能源作为一种清洁、高效的能量载体，近年来在多个领域展现出巨大的应用潜力。然而，实现氢气的高效、可逆且安全的储存仍然是一个关键的技术挑战。传统方法如高压压缩和低温液化虽然能够储存氢气，但其高能耗和潜在的安全风险限制了其在实际应用中的推广。因此，开发新型、高效的氢储存材料成为研究的重点。在这一背景下，二维材料因其独特的物理化学性质和可调的氢分子相互作用能力，吸引了广泛的关注。特别是在金属-离子电池和氢储存等新兴技术中，二维材料的应用前景十分广阔。

钛硼化物（TiB?）作为一种具有广泛应用前景的二维材料，其结构特性与电子行为使其在氢储存领域具有独特的价值。TiB?在二维形式下表现出金属特性，以及在费米能级附近的高态密度，这些特性对于表面吸附现象极为有利。为了进一步提升其氢储存能力，研究者们探索了在TiB?表面引入锂原子的策略。锂作为一种轻质金属，其低原子质量有助于保持材料的轻量化，这是实现高比容量氢储存的关键因素之一。此外，锂原子与氢分子之间的良好相互作用不仅增强了吸附能力，还通过电荷转移和极化效应，提高了材料与氢分子之间的结合强度。

在本研究中，我们通过第一性原理计算方法，结合密度泛函理论（DFT）和基于原子的分子动力学（AIMD）模拟，对锂装饰的TiB?单层结构进行了系统分析。研究重点在于评估其结构稳定性、电子特性以及氢吸附性能。通过计算，我们发现锂原子倾向于吸附在能量最有利的位点上，从而显著增强其与氢分子的相互作用。在特定的Li@TiB?配置下，锂装饰的TiB?单层能够实现每锂原子吸附多个氢分子的能力，这一特性使其在满足美国能源部（DOE）设定的氢储存目标方面表现出色。

我们的研究不仅揭示了Li@TiB?单层在氢储存方面的潜力，还为未来设计高性能的氢储存系统提供了重要的理论支持。TiB?单层材料因其优异的机械强度、结构稳定性以及热稳定性，被广泛认为是适用于极端环境和高技术需求的候选材料。同时，其表面的可修饰性也为进一步优化其氢储存性能提供了可能性。通过在材料表面引入锂原子，我们不仅提高了氢分子的吸附能力，还增强了材料的整体性能，使其在多种应用场景中更具竞争力。

从更广泛的角度来看，氢储存材料的研究不仅关乎能源技术的进步，也对环境可持续性和碳中和目标的实现具有重要意义。随着全球对清洁能源需求的不断增长，氢能源的开发和利用将变得更加重要。然而，氢储存技术的瓶颈仍然存在，因此需要不断探索和优化新型材料。TiB?单层及其锂装饰形式为解决这一问题提供了新的思路。通过深入理解其结构和电子特性，研究者可以更有效地设计和合成具有更高性能的氢储存材料。

此外，TiB?单层材料的轻质特性使其在便携式设备和移动储能系统中具有独特的优势。相比于传统材料，其低密度和高比容量的特性使其更适合于对重量和体积有严格限制的应用场景。同时，其表面的极化效应和电荷转移能力也为氢分子的吸附和脱附过程提供了更稳定的动力学条件。这不仅有助于提高储存效率，还能够减少材料在循环使用过程中可能发生的性能衰减。

在理论研究的基础上，实验验证同样不可或缺。许多研究已经表明，通过表面修饰和原子装饰，可以显著改善二维材料的氢储存性能。例如，一些实验结果表明，纳米材料在轻质金属（如锂）的修饰下，能够表现出更优异的氢吸附能力。这种性能的提升主要归因于锂原子与氢分子之间的协同作用，这种作用不仅增强了吸附能力，还促进了材料内部电荷的重新分布，从而进一步增强了氢分子与材料表面的相互作用。因此，锂装饰的TiB?单层结构在理论和实验层面都展现出良好的前景。

综上所述，锂装饰的TiB?单层结构作为一种新型的MBene材料，其在氢储存领域的应用潜力得到了充分验证。其高吸附能力、优异的结构稳定性以及良好的电荷转移特性，使其成为满足当前氢储存需求的理想候选材料。随着研究的深入，这种材料有望在未来能源技术中发挥更加重要的作用，特别是在氢燃料电池、可再生能源存储和移动储能系统等领域。通过进一步的实验和理论研究，我们有理由相信，锂装饰的TiB?单层结构将为实现高效、安全和可逆的氢储存提供重要的技术支持。