在3N2单层膜上调节电场和电荷，以实现高容量的可逆氢存储

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Modulation of electric field and charge on BC 3N 2 monolayers for reversible hydrogen storage with high capacity

二维BC3N2单层通过外加电场（0.0055 a.u.）和电荷工程（-2e）显著提升氢吸附能至0.406 eV和0.292 eV，同时保持13.8 wt.%的高容量，并证实其通过静电相互作用实现可逆储氢。

　　氢能源作为一种清洁、可再生的替代化石燃料的选择，因其高能量密度和零碳排放特性而受到广泛关注。然而，高效率氢储存系统的开发仍然是限制氢能源广泛应用的关键挑战之一。固态氢储存技术被认为是解决这一问题最具前景的方法之一，因为它具有低能耗、良好的安全性、操作简便以及较长的储存时间等优势。氢储存材料（HSMs）在这一技术中扮演着核心角色，但目前可用的材料在实现高效氢储存和利用方面仍存在不足，这促使研究者不断探索新的高性能HSMs。

二维材料因其独特的原子级超薄厚度、较大的有效表面积以及优异的机械强度，长期以来一直被认为是氢储存的理想候选者。特别是石墨烯的成功合成极大地推动了各种二维碳基轻质材料的快速发展。然而，纯碳基材料对氢分子的吸附能力较弱，这促使研究者考虑引入相对更活跃的元素，如氮、硼和硅，以形成新的类石墨烯二元或三元碳基单层材料。例如，研究发现，通过元素替代反应，可以将石墨烯或碳纳米管转化为结构相似的硼碳氮化物，从而提高其氢储存性能。尽管如此，这些材料在实际应用中仍面临一定的挑战。

近年来，随着对电荷和电场调控的研究不断深入，人们发现这种方法为优化氢储存性能提供了新的可能性。例如，对C9N4单层材料的研究表明，通过电荷注入可以显著提高氢分子的吸附能量，从0.23 eV提升至1.27 eV，同时保持较高的储存容量。类似地，对BC2N单层材料的电荷调控研究也表明，吸附能量可以提高至0.225–0.460 eV，而储存容量仍维持在10.95 wt.%。此外，对BN单层材料施加电场可使其氢分子的吸附能量提高约5倍，从0.03 eV提升至0.14 eV。这些研究结果表明，相比于金属介导的吸附，利用电荷和电场调控可能提供一种更加实际和可行的策略，以实现氢储存过程中氢分子的可逆吸附和释放。

在三元硼碳氮化物（BxCyNz）体系中，BC3N2单层材料被广泛用作氢储存材料。虽然通过轻金属修饰可以增强氢分子的吸附能力，但这种方法往往会显著降低储存容量，这是该类方法的一个普遍缺点。由于BC3N2单层材料具有类石墨烯的结构和性能，因此可以通过清洁、易于调控的方法，如电场或电荷调控，来优化其氢储存性能。研究发现，纯BC3N2单层材料具有高达13.8 wt.%的氢储存容量，但其氢分子的吸附能量相对较低。通过施加外部电场或调整电荷状态，可以将氢分子的吸附能量显著提高至理想的范围（0.2–0.6 eV），同时保持高储存容量。进一步的分析表明，氢分子在BC3N2单层材料上的吸附是基于静电相互作用的，这有助于实现氢的可逆储存和释放。此外，通过评估脱附温度和吸附量，可以得出结论：在调整温度或切换电场和电荷状态的情况下，氢的储存和释放过程可以被高效且可逆地控制。

本研究通过第一性原理计算方法，系统地探讨了电场和电荷调控对BC3N2单层材料氢储存性能的影响。计算结果显示，当施加正电场（0.0055 a.u.）时，氢分子的平均吸附能量可从约0.16 eV显著提升至0.406 eV，同时保持高储存容量。此外，当电荷调控至–2e时，氢分子的吸附能量也可提高至0.292 eV。这些结果表明，电场和电荷调控可以有效增强氢分子与BC3N2单层材料之间的相互作用，从而提高其吸附能力。通过电子密度差（EDD）、电子局域函数（ELF）和部分态密度（PDOS）的联合分析，进一步确认了吸附机制为静电吸附，这有助于实现氢的可逆储存和释放。

氢储存材料的性能不仅取决于吸附能力，还与吸附过程的可逆性密切相关。在实际应用中，理想的HSMs需要满足多个严格的标准，包括高比容量（超过6.5 wt.%，根据美国能源部的目标）、适中的吸附能量（0.2–0.6 eV）以及在常温常压下实现氢的可逆释放。目前，许多研究已经表明，通过电荷调控或电场调控，可以实现对氢分子吸附和释放过程的高效控制。例如，在C9N4单层材料的研究中，电荷调控不仅提高了吸附能量，还使得氢储存过程具备可逆性。同样，在BC2N单层材料的研究中，电荷调控也实现了吸附能量的显著提升，并且保持了较高的储存容量。

在BC3N2单层材料的研究中，我们发现其氢储存容量虽然较高，但吸附能量较低，这限制了其在实际应用中的性能。通过施加外部电场或调整电荷状态，可以有效提高吸附能量，同时保持高储存容量。这一结果表明，电场和电荷调控为BC3N2单层材料提供了一种新的优化路径，使得其在氢储存领域具有更高的应用潜力。此外，脱附温度的分析显示，当电场或电荷状态被调整时，氢的脱附温度范围在260–519 K之间，这表明其具有良好的可逆性。在实际条件下，吸附量的分析也进一步验证了BC3N2单层材料在电场或电荷调控下的优异性能。

研究还发现，通过电场和电荷调控，可以实现对氢分子吸附和释放过程的精细控制。这为未来氢储存材料的设计和应用提供了新的思路。相比于传统的金属修饰方法，电场和电荷调控不仅避免了金属原子的聚集，还减少了金属杂质对氢气的污染，从而提高了产品的纯度。此外，这种方法具有更高的可调性和可重复性，使得氢储存材料的性能更加稳定和可控。这些优势使得BC3N2单层材料在电场和电荷调控下成为一种具有广阔前景的高效率、可调节和可逆的氢储存材料。

综上所述，本研究通过电场和电荷调控方法，系统地分析了BC3N2单层材料的氢储存性能。结果表明，虽然纯BC3N2单层材料具有较高的储存容量，但其吸附能力较低，限制了其在实际应用中的表现。通过施加外部电场或调整电荷状态，可以显著提高氢分子的吸附能量，同时保持高储存容量。联合分析电子密度差、电子局域函数和部分态密度的结果进一步确认了吸附机制为静电吸附，这有助于实现氢的可逆储存和释放。此外，脱附温度和吸附量的分析也表明，BC3N2单层材料在电场和电荷调控下具有良好的可逆性和稳定性。这些发现为未来氢储存材料的设计和应用提供了重要的理论依据和技术支持。