经过钠修饰的s-C3N6单层的氢储存性能得到了提升

《International Journal of Hydrogen Energy》：Enhanced hydrogen storage performance of Na-decorated s-C 3N 6 monolayer

氢能存储载体研究：钠修饰六氮杂环聚合物单层在密度泛函理论计算中的储氢性能分析，揭示了通过静电相互作用和轨道杂化增强氢吸附的机制，储氢量达11.27 wt%，超过美国能源部6.5 wt%目标，在常温常压下保持稳定吸附特性。

　　随着全球对清洁能源需求的不断增长，氢能源因其丰富的资源、高能量密度以及环境友好性，被认为是未来重要的能量载体之一。然而，氢气的广泛应用仍然面临诸多挑战，尤其是在存储技术方面。目前，常见的氢气存储方式包括高压气体存储和低温液态存储，但这些方法均存在较高的成本、安全隐患以及存储容量有限等问题。因此，开发一种安全、高效且具有可逆性的氢气存储材料成为科研领域的热点之一。

近年来，二维材料因其独特的物理化学性质，如高比表面积、可调控的孔径结构、轻质、机械强度高以及良好的化学稳定性，被广泛研究作为氢气存储的潜在候选者。尽管如此，大多数原始的二维材料在氢气吸附方面表现不佳，这促使研究者探索通过金属原子修饰来改善其性能。特别是碱金属，因其较低的原子质量、较小的原子半径、较低的结合能和较低的电离势，被认为在提升氢气吸附能力方面具有独特优势。碱金属的引入不仅能够增强材料的电子结构，还能通过静电相互作用和轨道杂化机制显著提高氢气的吸附强度。

在众多二维材料中，碳氮化物单层因其优异的热、化学和机械稳定性而受到关注。例如，石墨烯衍生的碳氮化物（如g-CN和tg-C3N4）已经被实验合成，并显示出良好的氢气存储性能。这些材料通常具有多孔结构和丰富的活性位点，使其成为氢气吸附的理想载体。然而，为了进一步提升其存储能力，研究者们开始尝试通过金属掺杂来优化其性能。例如，锂修饰的g-C6N7单层可以实现高达11.94 wt%的氢气存储容量，而锂修饰的g-C10N3单层则能在常温下捕获七分子氢气，达到8.0 wt%的重量比容量。此外，钠、钾等碱金属修饰的C9N4单层也被证明能够显著提升氢气存储性能，分别达到11.9 wt%、8.7 wt%和8.1 wt%的存储容量。

在这一背景下，研究者们对s-C3N6单层进行了深入探讨。s-C3N6单层属于六方晶系，空间群为P6/m（空间号：175），其优化后的晶格常数为10.575 ?，与之前理论研究结果一致。该单层由C3N3核心通过N-N键连接而成，具有两种非等价的氮原子和一种非等价的碳原子。这种结构为氢气的吸附提供了丰富的活性位点，使得s-C3N6单层在未修饰状态下便展现出一定的氢气存储潜力。然而，为了进一步提升其性能，研究者们引入了钠原子进行修饰。

本研究通过密度泛函理论（DFT）计算系统地探讨了钠修饰的s-C3N6单层的几何结构、电子性质、稳定性以及氢气存储性能。结果显示，六个钠原子可以稳定地锚定在s-C3N6单层的空位上，每个氢气分子的平均结合能为?2.76 eV，表明钠修饰后的单层具有良好的热力学稳定性。通过Bader电荷分析，可以发现钠原子的电子倾向于转移到s-C3N6单层上，从而增强了其对氢气分子的吸附能力。这种电子转移不仅改变了材料的电子结构，还通过静电相互作用和轨道杂化机制提高了氢气的吸附强度。

此外，钠修饰的s-C3N6单层表现出卓越的氢气存储能力，能够吸附高达24个氢气分子，对应的氢气存储容量达到11.27 wt%，超过了美国能源部（DOE）设定的6.5 wt%目标。这一结果表明，钠修饰后的s-C3N6单层在氢气存储方面具有显著优势。同时，计算还表明，在常温下，氢气吸附结构在温和压力下保持稳定，进一步验证了其在实际应用中的可行性。

研究进一步揭示了钠修饰对氢气吸附性能的影响机制。钠原子的引入不仅改变了材料的电子分布，还通过静电相互作用和轨道杂化机制显著增强了氢气分子与材料之间的相互作用。这种增强作用使得氢气分子能够在材料表面更牢固地吸附，从而提高了存储容量。同时，钠原子的修饰也使得材料的吸附性能在不同温度和压力条件下表现出良好的适应性，这对于氢气的可逆存储至关重要。

为了验证钠修饰后的s-C3N6单层在实际应用中的稳定性，研究者们还考察了温度和压力对其氢气存储性能的影响。结果显示，在常温下，即使在较低压力条件下，钠修饰的s-C3N6单层仍然能够保持稳定的氢气吸附结构，这表明其具有良好的热力学稳定性和可操作性。这种稳定性对于氢气存储材料的实际应用具有重要意义，因为它意味着材料可以在常规环境下进行氢气的吸附和脱附，从而实现高效的可逆存储。

综上所述，钠修饰的s-C3N6单层作为一种新型的氢气存储材料，展现出优异的性能。其高比表面积和丰富的活性位点为氢气吸附提供了良好的物理基础，而钠原子的引入则通过电子转移和相互作用机制显著提升了吸附能力。此外，该材料在常温下表现出良好的热力学稳定性和可逆性，使其在实际应用中具有广阔前景。未来的研究可以进一步探索该材料在不同条件下的性能表现，以及其在实际氢气存储系统中的应用潜力。通过不断优化材料结构和修饰策略，有望开发出更高效、更安全的氢气存储材料，从而推动氢能源的广泛应用。