碳基纳米材料掺杂原子催化氢吸附的规律揭示：石墨烯与碳纳米管的比较研究

【编辑推荐】为应对化石燃料带来的生态问题，研究人员通过分子动力学(MD)模拟和通用势能(PFP)方法，系统研究了掺杂不同元素的石墨烯和(8,0)碳纳米管(CNT)在77 K下的氢吸附特性。发现II族元素（钙、锶）具有显著氢吸附能力，轻元素（锂、钠）则因低原子质量提升重量储氢性能。该研究为碳基纳米材料在高效储氢应用提供了重要理论指导。

　　

在全球能源转型的背景下，氢能因其燃烧产物仅为水而被视为理想的清洁能源载体。然而，氢气的低密度和易燃性使得安全高效储存成为技术瓶颈。碳基纳米材料如石墨烯和碳纳米管(CNT)因其高比表面积和可调控的电子结构，被认为是潜在的储氢介质，但纯碳材料的氢吸附能力有限。如何通过原子级修饰提升其性能，成为材料科学领域亟待解决的关键问题。

来自某研究机构的研究团队在《Carbon Trends》发表论文，首次采用机器学习势函数(PFP)对周期表中72种元素掺杂的石墨烯和(8,0)CNT进行系统模拟。研究发现锂、钙等轻元素能显著提升重量储氢密度，而锶、钪等元素在特定构型中表现出卓越吸附性能，为碳基储氢材料的理性设计提供了全局性指导。

研究方法结合了三个关键技术：1) 基于Matlantis平台的神经网络势能(PFP)进行分子动力学模拟，2) 构建包含2450个碳原子的石墨烯超胞和196原子组成的(8,0)CNT模型，3) 在77 K条件下采用NVT系综进行50 ps动力学模拟，以3 ?为临界距离统计氢吸附量。

【结果与讨论】

1. 结构模型设计
   通过对比石墨烯的三种吸附位点（空心位、桥位、顶位）和CNT的四种位点，发现II族元素在空心位表现最佳。石墨烯35×35超胞中掺杂49个原子，CNT模型中每管修饰4个原子，保持2 at.%的均匀掺杂浓度。

2. 吸附效率规律
   时间平均数据显示：碱土金属钙、锶平均吸附48个氢原子（波动5%），轻元素锂、钠因低原子量使重量储氢密度提升3-4倍。过渡金属钪、钛和镧系元素镨、钕也表现出优异性能，但放射性元素锝不具备实用性。

3. 材料构效关系
   石墨烯平面结构比CNT更高效，前者重量储氢峰值达8.8 wt.%。CNT中硼、铍的特殊活性与文献报道的BCNT增强效应一致，而钠在石墨烯中的优异表现揭示了基底曲率对掺杂效应的调控作用。

4. 作用机制探讨
   在77 K和50 ps时间尺度下未观察到氢溢流现象，推测可能与低温动力学限制或完美晶体结构有关。Kubas型相互作用（过渡金属d轨道与氢σ*轨道杂化）可能是过渡金属掺杂增强的关键机制，但需进一步电子结构验证。

【结论】
该研究建立了掺杂元素-吸附位点-储氢性能的全局关联规律：锂作为最佳通用元素，在石墨烯和CNT中均表现突出；钠、钙、钪等元素则呈现基底依赖性。研究创新性地采用机器学习势函数突破了传统DFT的计算限制，为高通量筛选储氢材料提供了新范式。这些发现不仅与已有实验数据吻合，更为设计轻量化、高容量的碳基储氢系统提供了定量化设计准则。未来研究可延伸至缺陷工程、掺杂原子簇集效应等方向，进一步推动氢能技术的实用化进程。