碱金属原子吸附PbC单层的第一性原理研究及其在离子电池和光电器件中的应用潜力

本研究通过第一性原理计算系统研究了Li/Na/K碱金属原子在PbC单层(M-PbC)上的吸附行为，发现碱金属吸附能显著提高体系稳定性并诱导sp3/sp3d杂化。特别揭示了8个Li原子吸附会产生金属诱导带隙态(MIGS)，而Na/K吸附形成0.47/0.2 eV间接带隙半导体。计算得到的开路电压(OCV)达2.26-2.01 V，理论比容量427-374 mAh/g，表明M-PbC可作为高性能Li/Na/K离子电池阴极材料，同时Li体系适用于晶体管，Na/K体系适用于场发射器件。

　　

在新型二维材料研究热潮中，铅碳化合物(PbC)因其独特的电子特性备受关注。然而目前对碱金属原子修饰PbC单层的系统性研究仍属空白，这严重制约了该材料在能源存储和光电器件领域的应用探索。传统锂离子电池正极材料面临着比容量低、循环稳定性差等挑战，而新兴二维材料如石墨烯、硅烯等在碱金属吸附后虽展现出良好性能，但存在吸附能低、结构易破坏等问题。与此同时，开发具有可调控带隙的新型半导体材料对发展高性能光电器件至关重要。

墨西哥国立自治大学材料研究所的Mu?oz等研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，采用密度泛函理论(DFT)结合SIESTA软件包，系统研究了Li、Na、K三种碱金属原子在M-PbC单层上的吸附特性。研究通过广义梯度近似(GGA)处理电子交换关联能，采用Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函，并引入Grimme方法修正范德华力。团队构建了5×5超胞模型，计算了不同吸附位点(H、T、D等)的吸附能、电子结构和扩散势垒，并通过能带结构和态密度(DOS)分析揭示了材料性能变化的物理机制。

研究首先确定了最稳定吸附位点。结果显示所有碱金属原子在空心(H)位点吸附时体系最稳定，其中Li的吸附能最高(4.494 eV)，K最低(4.039 eV)。结构参数分析发现Li吸附使晶格常数增大0.39%，而Na/K吸附则分别减小0.15%和0.13%。电子结构研究表明，原始M-PbC为金属性，吸附后仍保持金属特性但费米能级上移，其中Li吸附完全消除了导带中0.33 eV的带隙，而Na/K分别保留0.13 eV和0.19 eV带隙。

随着吸附原子数量增加，体系展现出丰富的结构演变和电子特性。8个Li原子吸附导致金属诱导带隙态(MIGS)形成，产生4.7 μB磁矩，表现为半金属特性；而8个Na/K原子吸附分别形成0.47 eV和0.2 eV间接带隙半导体。通过Hirshfeld布居分析发现，吸附原子与基底间发生显著电荷转移，形成sp³(Li/Na)和sp³d(K)杂化。特别值得注意的是，Li吸附主要导致离子键合，而Na/K吸附呈现更多共价键特征。

在应用性能方面，研究计算出Li/Na/K的扩散势垒分别为0.518 eV、0.456 eV和0.156 eV，表明K离子具有最佳迁移率。电压特性分析显示，在0.16浓度下平均开路电压(OCV)分别为2.26 V(Li)、2.20 V(Na)和2.01 V(K)，理论比容量达139-133 mAh/g；当浓度提升至0.5时，比容量可增至427-374 mAh/g。此外，功函数测试发现原始M-PbC为1 eV，Na/K吸附后可降至0.58 eV和0.24 eV，展现出优异的场发射潜力。

这项研究的重要意义在于：首次系统阐明了碱金属原子吸附对M-PbC电子结构和稳定性的调控机制，为设计新型二维功能材料提供了理论依据。提出的M-PbC作为多价离子电池阴极材料的方案，解决了传统材料比容量不足的问题，其2.26-2.01 V的工作电压与h-BAs、Ti₃C₂等阳极材料形成理想匹配。同时，研究揭示的Li体系MIGS特性为开发高性能单层晶体管开辟了新途径，而Na/K体系的低功函数特性使其成为场发射器件和光伏电池的理想候选材料。这些发现将推动二维材料在能源存储和光电子器件领域的创新应用。