静电-Kubas协同作用驱动的Sc/Ti-六氨基苯金属有机框架高效储氢材料研究

为解决化石燃料污染及氢能存储瓶颈问题，山西师范大学Li-Juan Ma团队通过密度泛函理论(DFT)计算，设计出Sc/Ti-六氨基苯金属有机框架(M3(HAB)2)。该材料通过静电作用与Kubas型轨道杂化协同机制，实现单金属原子吸附8H2分子，理论储氢容量达9.47 wt%（Sc）和9.31 wt%（Ti），在233–358 K/5–12 atm实际条件下仍超越美国能源部(DOE)目标，为可逆储氢材料开发提供新策略。

　　

随着全球每年因化石燃料燃烧排放约340亿吨CO₂，氢能因其高能量密度和环境友好性成为理想替代品。然而，安全高效的储氢技术仍是关键瓶颈。美国能源部(DOE)设定的固态储氢目标为6.50 wt%（233–358 K/5–12 atm），但现有材料难以兼顾吸附强度（0.10–0.80 eV/H₂）与容量。传统二维材料如石墨烯虽具有高比表面积，但其原始吸附能不足0.10 eV/H₂，需通过金属修饰（如Ti、Sc等过渡金属）提升性能。

山西师范大学Li-Juan Ma团队将目光投向具有六边形蜂窝晶格的M₃(HAB)₂金属有机框架。这类材料因含暴露的过渡金属-N₄活性位点、高稳定性和可调电子结构，在电催化领域已有应用，但其储氢潜力尚未探索。研究人员通过密度泛函理论(DFT)结合PBE-D3校正方法，系统评估了Sc/Ti-HAB框架的储氢性能。

关键技术方法
研究采用维也纳从头算模拟软件包(VASP)进行DFT计算，使用投影缀加波(PAW)方法处理电子-离子相互作用，交换关联泛函选用PBE-GGA，平面波截断能设为450 eV，k点网格为5×5×1。通过结合能、晶体轨道哈密顿布居(COHP)、电荷密度差和电子局域函数(ELF)分析揭示吸附机制，并基于巨正则系综预测实际工况下的储氢容量。

结构稳定性与金属特性
Sc₃(HAB)₂和Ti₃(HAB)₂展现出优异的金属结合能（Sc: -4.98 eV；Ti: -5.32 eV）与低 cohesive energy，表明金属原子可稳定锚定在HAB骨架上而不团聚。Sc/Ti中心呈现高正电荷态（+1.32|e|和+1.28|e|），为静电吸附H₂奠定基础。

储氢性能与机制
每个Sc/Ti原子可吸附8个H₂分子，平均吸附能为-0.238 eV（Sc）和-0.331 eV（Ti），H–H键长延长至0.767 ?和0.790 ?，符合Kubas相互作用特征。理论重量密度分别达9.47 wt%和9.31 wt%，实际工况下仍保持8.75 wt%（Sc）和7.15 wt%（Ti），显著超越DOE目标。

电子结构分析
部分态密度(PDOS)显示H₂的σ*轨道与Sc/Ti的d轨道杂化，COHP证实金属-H₂反键轨道占据增强稳定性。电荷密度差与ELF揭示H₂通过极化与金属间形成电荷转移通道。

结论与意义
该研究首次证实Sc/Ti-HAB框架通过静电-Kubas协同机制实现高效储氢，其实际容量、可逆性和稳定性均满足工业需求。尽管Sc成本较高，但Ti基材料的优异表现提供了更具性价比的选择。这项工作不仅为MOF材料在能源存储领域开辟新应用，更通过多尺度理论模拟为材料设计提供范式，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。