基于文献挖掘指导的锂功能化极性五元BCN纳米片可逆储氢设计

《International Journal of Hydrogen Energy》：Literature-mining-guided design of lithium-functionalized polar penta-BCN nanosheets for reversible hydrogen storage

　　摘要• 文献挖掘表明锂修饰的硼/碳/氮储氢材料是主流研究热点。• 每个锂中心在首层吸附壳中可结合四个分子态H?吸附质。• 锂诱导的极化效应可增强H?吸附，且无需解离。• 巨正则蒙特卡洛模拟显示低温储氢可行，但室温储氢能力有限。引言氢能因其高质量能量密度及使用过程中不产生含碳产物，作为清洁二次能源载体一直受到持续关注[1], [2], [3], [4], [5], [6]。然而，其低的体积密度和高扩散性为储存、运输和输送带来了巨大挑战，尤其在移动能源和分布式能源应用中[7], [8], [9], [10]。传统储存策略，包括高压压缩、低温液化和金属氢化物形成，在安全性、能耗、操作温度、系统质量与循环可逆性之间面临权衡[11], [12], [13], [14], [15]。基于物理吸附的固态储氢提供了更安全且更具可逆性的途径，前提是吸附剂兼具足够轻的骨架质量、充足的比表面积以及适中的H?结合强度[16], [17]。对于可逆运行，与H?的相互作用应强于原始类碳表面上微弱的范德华吸附，但又不至于强到需要高温脱附。除合适的结合强度外，储氢材料还期望在实用操作温度范围内实现高质量储氢容量。美国能源部（DOE）规定的全系统质量储氢目标为2025年5.5 wt%，最终目标6.5 wt%[18]。二维（2D）材料因兼具低质量、大比表面积及化学可调的电子结构而特别具有吸引力[19], [20], [21], [22], [23], [24]。金属修饰被广泛用于增强本征相互作用较弱的轻元素衬底上的H?吸附。碱金属和碱土金属原子可向宿主表面转移电荷，留下带正电的吸附中心，从而极化附近的H?分子。在这些修饰原子中，锂（Li）尤为吸引人，因其极低的原子质量以及在不引入重过渡金属质量负担的情况下诱导静电极化的能力[25], [26], [27], [28], [29]。因此，许多锂修饰的二维材料被提出用于储氢，但其实际可行性通常受限于金属聚集、宿主稳定性不足或仅基于零温吸附构型而高估容量等问题。近期实例包括锂功能化Si?C??，据报道质量储氢容量为6.68 wt%[30]，以及锂修饰Ψ-石墨烯，理论容量为15.15 wt%[31]。计算储氢文献的快速增长带来了利用文献衍生趋势来指导候选材料选择的机会。结构化文献挖掘可识别出被频繁研究的宿主材料族、修饰元素、性能描述符及报道的容量范围，为候选材料选择提供数据驱动的依据。此类分析并不能证明最高频报道的组合一定是最优的，但可以界定后续第一性原理和有限温度验证的合理搜索空间。五方BCN是由B、C和N原子组成的三元五方单层材料。此前的研究预测了其机械、热和动力学稳定性、半导体电子结构，以及源于其非中心对称晶格的固有极性[32], [33], [34]。与许多平面碳基或氮化硼基宿主相比，五方BCN的独特优势在于轻质B/C/N骨架、固有极性、化学不等价的锂结合环境，以及皱褶结构双面均可及的吸附位点的组合。这些特征有望在保持H?吸附所需表面可及性的同时促进锂锚定。然而，其在锂功能化及有限温度压力条件下的储氢性能尚未得到充分探索。本文结合文献挖掘、密度泛函理论（DFT）计算和巨正则蒙特卡洛（GCMC）模拟，研究锂功能化五方BCN。首先通过文献挖掘确定锂修饰轻元素二维框架为高潜力设计空间。随后DFT计算确认五方BCN的结构稳定性，确定锂锚定位点及代表性锂覆盖率，量化逐步H?吸附，并阐明分子态结合的电子起源。最后，GCMC模拟评估有限温度下的负载量及压力依赖行为。特别注意的是区分DFT首层饱和容量与GCMC绝对及过量负载量，并识别吸附仍有意义的温度范围。章节摘要文献挖掘与数据结构化构建了一套文献挖掘流程，以识别掺杂或金属修饰二维材料储氢DFT研究中反复出现的模式。文献来源为Web of Science核心合集，检索式为：("2D materials" OR "monolayer") AND ("hydrogen storage" OR "H? storage") AND ("DFT" OR "first-principles") AND ("doped" OR "metal decoration")。检索覆盖2016年至2026年发表的文献，检索完成日期为2026年6月12日。文献挖掘引导的候选材料选择图1a总结了文献挖掘流程，包括文献筛选、记录筛选、大语言模型辅助提取、人工验证、结构化分析及DFT引导的候选材料选择。该流程的目的是识别先前计算中常见的模式，而非建立材料的定量排名。在保留的181篇文献中，碳基、氮基、硼基及其他材料族分别被标记92、63、61和77个标签。结论本工作结合文献挖掘、DFT计算和GCMC模拟，系统研究了锂功能化五方BCN的储氢性能。对181篇基于DFT的储氢文献进行挖掘，确认锂修饰轻元素二维材料为主流设计模式，从而促使选择极性的五方BCN作为轻质宿主。DFT计算证实原始五方BCN具有动力学和热稳定性，且锂原子强烈……CRediT作者贡献声明周明奇：撰写—原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、形式化分析、数据整理、概念化。杨雅倩：撰写—原始草稿、可视化、概念化。赵国宾：软件、方法论、概念化。李小燕：验证、软件、资源、方法论。欧鹏飞：撰写—审阅与编辑、监督、资源、方法论、概念化。王雪锋：撰写—审阅与编辑、验证、监督……资助本工作受国家自然科学基金（项目编号62274113和61674110）资助。周明奇感谢中国国家留学基金委员会（CSC）在其访问新加坡国立大学期间的资助支持。利益冲突声明作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。周明奇 | 杨雅倩 | 赵国宾 | 李小燕 | 欧鹏飞 | 王雪锋