超碱金属NLi4修饰二维C2N单层材料：一种新型高效储氢材料的理论探索

针对纳米多孔材料储氢性能受限的问题，研究人员通过第一性原理计算研究了超碱金属NLi4修饰六方二维C2N单层（C2N-h2D）的几何构型、电子结构及储氢性能。结果表明，NLi4@C2N-h2D在室温下具有热力学稳定性，可实现10.43 wt%的储氢密度和-0.20 eV/H2的适中吸附能，为开发可逆性储氢材料提供了新思路。

　　

化石燃料的过度消耗正引发能源危机与环境恶化，氢能因其清洁高效被视为理想替代能源。然而，储氢技术瓶颈制约其实际应用——高压压缩存在安全隐患，低温液化能耗过高，而传统多孔材料（如MOFs、COFs）的物理吸附强度仅4-10 kJ/mol，难以满足美国能源部（DOE）提出的6.5 wt%储氢密度目标。如何通过材料改性实现温和条件下高效储氢，成为当前研究的关键挑战。

中国国家自然科学基金资助项目（编号12164043）的研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算，系统研究了超碱金属NLi₄修饰六方二维C₂N单层（C₂N-h2D）的储氢性能。研究发现，NLi₄团簇可稳定锚定于氮化空位，形成高度分散的Li⁺阳离子阵列，通过电场极化作用吸附H₂分子。双面修饰的C₂N-h2D单层可实现18个H₂分子吸附，储氢密度达10.43 wt%，吸附能（-0.20 eV/H₂）完美契合DOE标准。该成果发表于《Journal of Energy Storage》，为开发新型储氢材料提供了理论依据。

研究采用维也纳第一性原理模拟软件包（VASP）进行DFT计算，结合投影缀加波（PAW）方法和PBE泛函处理电子交换关联作用，并引入DFT-D2修正范德华力。通过ab initio分子动力学（AIMD）模拟验证材料在室温下的热力学稳定性，同时考察温度压力对吸附体系的影响。

主要研究结果

1. NLi₄在C₂N-h2D上的修饰机制
   NLi₄团簇优先占据氮原子六元环空位，底部三个Li原子与六个N原子形成稳定配位，结合能达3.12 eV。电荷分析表明NLi₄向基底转移电子呈阳离子态，有效避免金属团聚。

2. 储氢性能与机理
   每个NLi₄单元可吸附6个H₂分子，主要依靠Li⁺产生的电场极化作用。双面修饰构型储氢密度突破10 wt%，吸附能（-0.20 eV/H₂）介于物理吸附与化学吸附之间，符合可逆储氢需求。

3. 环境稳定性验证
   AIMD模拟证实材料在300K下保持结构完整性，H₂分子在温和条件下可快速吸脱附，操作窗口优于传统多孔材料。

该研究首次揭示超碱金属修饰C₂N-h2D的储氢潜力，其性能显著优于已报道的Li修饰体系（7.8 wt%）和Ti掺杂体系（6.8 wt%）。通过电子结构调控实现H₂分子可控吸附，为设计新一代储氢材料提供了创新思路，对推动氢能经济落地具有重要实践意义。