锂修饰δ-5硼单层材料可逆储氢性能的DFT（密度泛函理论）研究及其应用前景

为应对化石燃料带来的环境问题，研究人员通过周期性密度泛函理论(DFT)模拟，探究了锂修饰δ-5硼单层材料的储氢性能。研究发现，每单元胞负载2个锂原子的构型可实现-0.191 eV/H2的理想吸附能，8.0 wt%的储氢质量密度及246 K的脱附温度，为开发新型二维储氢材料提供了理论依据。

　　

随着全球对清洁能源需求的日益增长，氢能因其零碳排放特性成为替代化石燃料的重要选择。然而，氢气的安全高效存储仍是制约其大规模应用的关键瓶颈。传统高压压缩和低温液化技术存在能耗高、安全隐患大等问题，而固态储氢材料又面临吸附能过高或过低的两难困境。美国能源部(DOE)提出的5.5 wt%储氢质量密度目标，更对材料设计提出了严峻挑战。在此背景下，二维材料因其高比表面积和可调控的电子结构成为研究热点，其中硼基材料因轻质特性备受关注。

为探索新型储氢材料，研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统研究了锂(Li)修饰δ-5硼单层的储氢性能。该硼单层具有独特的六方孔洞结构(η=1/7)，其单位晶胞包含6个硼原子形成的菱形构型，B-B键长1.68 ?，孔洞直径3.36 ?。研究采用Materials Studio软件包中的DMol³模块进行结构优化，通过计算吸附能、结合能、态密度(DOS)和分子动力学模拟等手段，评估了材料的储氢容量、热稳定性和电子结构特性。

Computational details
研究采用广义梯度近似(GGA)下的PBE泛函处理电子交换关联能，设置截断能400 eV，k点网格间距0.02 ?^-1。通过范德华力修正(DFT-D3)准确描述H₂分子与基底的弱相互作用，并利用从头算分子动力学(AIMD)模拟验证材料在300 K下的热稳定性。

The δ-5 boron monolayer
结构分析表明，原始δ-5硼单层对H₂的吸附能仅为-0.03 eV，远低于实用化要求(-0.1至-0.6 eV)。锂修饰后，2Li/δ-5硼构型中锂原子稳定占据六方孔洞中心，形成强极性位点，其与H₂的静电相互作用使吸附能提升至-0.191 eV。红外光谱显示H-H键振动频率红移，证实了电荷转移机制。

Conclusions
该研究首次证实2Li/δ-5硼单层可实现8.0 wt%的储氢质量密度和76.3 g/L的体积容量，优于DOE标准。脱附温度246 K(-27°C)表明其能在近常温条件下释放氢气。态密度分析揭示锂的2s轨道与H₂的σ*反键轨道杂化是增强吸附的关键。这项发表于《Materials Science in Semiconductor Processing》的工作，为设计轻质高效储氢材料提供了新思路，其理论方法也可拓展至其他碱金属修饰的二维材料研究。