锂修饰氮硼掺杂石墨烯与碳纳米管储氢性能的第一性原理研究

研究人员针对氢能存储中材料质量密度与吸附能的关键问题，通过密度泛函理论（DFT）系统研究了Li修饰N/B掺杂石墨烯（G）和单壁碳纳米管（SWNT）的稳定性与储氢性能。结果表明，Li修饰B掺杂体系在H位点最稳定，可吸附5个H2分子，吸附能（-0.24~-0.13 eV/H2）满足DOE标准，为轻质高容量储氢材料设计提供理论依据。

　　

氢能作为化石燃料的替代品，因其清洁可持续的特性备受关注，但低体积能量密度和高扩散性制约其应用。美国能源部（DOE）提出2020年目标要求储氢材料在室温下达到4.5 wt%的质量密度和0.2 eV/H₂的吸附能。当前，轻质碳基材料如石墨烯（G）和碳纳米管（SWNT）因高比表面积成为研究热点，但纯碳材料性能有限，需通过掺杂和金属修饰提升储氢能力。

河西学院的研究团队在《Computational and Theoretical Chemistry》发表论文，采用第一性原理计算探究了锂（Li）修饰氮（N）/硼（B）掺杂石墨烯与碳纳米管的储氢性能。通过密度泛函理论（DFT）结合广义梯度近似（GGA-PBE）和范德华力（vdW）校正，系统分析了Li在不同掺杂位点的稳定性及H₂吸附机制。

关键技术包括：1）基于Materials Studio 8.0的CASTEP模块进行DFT计算；2）采用GGA-PBE泛函和DFT-D方法校正vdW作用；3）通过吸附能、电荷转移和键长分析评估稳定性与储氢性能。

N/B掺杂石墨烯与碳纳米管
研究发现，B掺杂显著提升Li与基底的结合强度，H位点为最稳定修饰位点，而N掺杂体系因原子半径差异导致结构畸变。

储氢性能
Li修饰B掺杂体系可吸附5个H₂分子，吸附能（-0.24~-0.13 eV/H₂）接近DOE标准，电荷转移分析表明Li的2s电子贡献主导H₂吸附。

结论与意义
该研究证实Li修饰B掺杂碳材料具备室温循环潜力，质量密度接近实用要求，为轻质储氢材料设计提供理论框架。创新点在于阐明B掺杂抑制Li团聚并优化电子耦合的机制，推动氢能存储技术发展。

（注：全文数据均源于原文，未引用图表标识；专业术语如DFT、GGA-PBE等首次出现时已标注解释；作者单位“河西学院”保留中文名称；上下标格式严格遵循原文，如H₂、eV/H₂等。）