氢因其极高的质量能量密度和环境友好的燃烧副产物，被广泛认为是很有前景的下一代清洁能源载体。全球向基于氢的能源技术过渡需要开发先进的氢存储材料，能够在环境或近环境操作条件下进行可逆吸附和解吸。尽管氢生产和利用技术取得了显著进展，但氢的安全存储和控制释放仍然是限制氢能系统大规模商业化的主要技术障碍。因此，设计高效、稳定且可逆的氢存储平台仍然是可持续能源材料领域的关键研究重点 [[1], [2], [3]]。传统氢存储技术，包括压缩气体存储、低温液化和金属氢化物形成，存在若干重大局限性，如高运营成本、安全隐患和有限的可逆性。虽然金属氢化物可以提供相对较高的体积氢存储密度，但它们通常在氢解吸过程中需要较高温度和大量能量输入 [[4], [5], [6]]。这些挑战激发了广泛的研究努力，旨在开发能够提供高吸附效率、可逆氢存储和增强结构稳定性的纳米结构材料。
低维纳米材料，特别是碳基纳米结构、多孔材料和过渡金属功能化纳米管，由于其大面积和可调电子特性，已被广泛研究作为有前景的氢存储候选材料 [[7], [8], [9]]。碳纳米管通过物理吸附机制展示了中等的氢吸附能力；然而，氢分子与碳表面之间相对较弱的相互作用往往限制了环境条件下的存储容量 [[10], [11], [12]]。为了增强氢吸附性能，提出了过渡金属修饰作为一种引入催化吸附位点和轨道杂化通道的有效方法。
碳化硅 (SiC) 纳米管最近作为一种有前景的氢存储应用替代平台涌现，与传统碳纳米管并存。与碳基纳米结构相比，SiC 纳米管表现出卓越的热稳定性、机械强度和化学耐久性，这使得它们在恶劣环境条件下和重复的氢吸附 - 解吸循环中能够可靠运行 [[13], [14], [15]]。Si-C 键的部分离子性质引入了内在电荷极化，创造了额外的吸附途径，可以增强氢 - 表面相互作用。此外，SiC 纳米管的混合共价 - 离子键合特性在与过渡金属吸附结合时提供了增强的电子可调性，促进了更强的轨道杂化和氢分子的催化活化。这些特征表明，过渡金属功能化 SiC 纳米管可以克服与碳基氢存储材料相关的若干局限性，同时保持高结构稳定性和可逆氢吸附性能 [[16], [17], [18], [19], [20]]。
过渡金属吸附原子，特别是铁 (Fe) 原子，具有部分填充的 3d 轨道，能够与宿主晶格态和氢分子轨道进行强轨道杂化。这种电子构型使 Fe 原子成为氢活化的高效催化中心。在 Fe 修饰的 SiC 纳米管中，氢吸附主要由 Kubas 型相互作用机制主导，该机制涉及氢成键轨道向过渡金属中心的 σ 电子供体以及金属 d 轨道向氢反键轨道的 π 反馈。这种双向电荷转移削弱了 H-H 键，同时保持了分子吸附的稳定性和可逆性，这是高效安全氢存储系统的必备特性 [[21], [22], [23]]。
此外，Fe 在 SiC 纳米管表面的吸附不仅增强了氢吸附，还通过 Fe-3d 和 C-2p 轨道杂化诱导了自旋极化电子态，产生了强自旋极化的电子基态。催化氢吸附和局域磁极化在同一纳米结构中的共存引入了一类新型多功能氢存储材料，其中吸附行为强烈受自旋相关电子相互作用的影响 [17,23,24]。
在本工作中，利用 DFT + U 框架内的自旋极化密度泛函理论系统研究了 Fe 修饰 SiC 纳米管的电子、磁性和氢吸附特性。计算表明，Fe 吸附原子充当局域磁中心，显著增强氢吸附并触发电子结构重构。结果展示了 Fe-3d 轨道、Si-C 晶格轨道和氢 1s 态之间的强杂化，导致稳定的金属 - 氢键合构型。
因此，Fe 功能化 SiC 纳米管结合了结构稳定性、可逆氢吸附能力和自旋相关电子特性，使其成为下一代磁催化氢存储材料的有前景候选者 [17,23,24]。
尽管对过渡金属功能化 SiC 纳米结构的研究兴趣日益增加，但仍有几个基本问题尚未解决。特别是，支配自Spin 离域、氢吸附期间交换分裂抑制以及 Fe 吸附原子、SiC 宿主晶格和氢分子之间轨道杂化的微观机制需要进一步研究 [17]。
这些发现为设计用于能源存储和自Spin 电子学应用的多功能 SiC 基纳米结构提供了新见解。
计算结果揭示，Fe 吸附引入了明显的局域磁矩，并促进整个纳米管框架的长程自Spin 离域。Mulliken 自Spin 布居分析表明，总磁矩约为 20 μB，证实了由强 Fe-C 和 Fe-Si 轨道杂化介导的稳定强自Spin 极化磁性基态的形成。
这种相互作用部分抑制了交换分裂，并导致了可调窄隙半导体电子结构的形成。催化氢吸附、自Spin 极化和电子可调性的同时存在突显了 Fe 功能化 SiC 纳米管的多功能性 [25]。
总体而言，这些结果表明，Fe 吸附原子修饰的 SiC 纳米管构成了可逆氢存储、氢传感技术和自Spin 辅助催化能量转换应用的有前景候选者，为设计下一代多功能氢存储纳米材料提供了宝贵见解。
