新型储氢材料扁平六角形结构单层Si2BN的介绍

由轻质元素组成的二维纳米材料具有重量密度低、比表面积大等优点，在储氢领域中具有独特的优势。然而由于弱的范德华作用力，氢气分子并不能**地在纯C基、B基、BN基和CN基的二维纳米材料的表面进行吸附，二者之间的吸附能都比较低。为了提高氢气分子与储氢材料的吸附能，采用元素掺杂来改性是一种**的途径，金属原子不但能够**提高氢气分子与这些纳米材料的吸附能，还能起到一定的催化氢气分子裂解的作用，因而能够**提升储氢容量，但金属原子在实际应用过程中易形成团簇，会阻碍其与更多的氢气分子或原子结合，从而影响储氢性能的充分发挥。

人们利用密度泛函理论计算研究了Si2BN单层的储氢特性，不含任何金属元素的Si2BN是一种新型的类石墨烯的二维纳米材料，具有高的热力学稳定性和机械稳定性，晶体结构如图1所示，能带结构和态密度结果显示其表现为金属特性。

图1：Si2BN单层的（a）优化结构；（b）能带结构和（c）态密度（PDOS）

经过结构优化，发现氢气分子的吸附位点主要位于Si2BN单层的中空位置，较稳定吸附构型对应的吸附能为0.214 eV，吸附能会随着氢气分子与Si2BN单层的距离的增加呈现先降低后升高的趋势，较佳距离为0.23 nm，如图2所示。理想储氢材料的平均吸附能范围为0.187 eV~0.214 eV，连续的吸附能变化表明在单层Si2BN上氢气分子能够进行自发吸附。

图2：（a，b）氢气分子吸附在Si2BN单层上的优化结构;（c）吸附能和氢气分子与Si2BN单层之间距离变化的关系图。

为了进一步阐明氢吸附行为，分别计算了Si2BN单层、15H2@Si2BN和30H2@Si2BN的电子定位函数（ELF）和态密度（DOS），如图3、4所示。从图3.b和3.c可以发现，氢气分子和Si2BN单层之间没有任何的轨道相互作用，DOS结果显示在Si2BN单层上吸附的氢气分子能产生一个低的能量态，表明氢气分子的吸附并不会影响单层中Si、B和N原子的相互作用，即氢气分子与Si2BN单层之间的作用力较弱，为静电相互作用力，弱的结合力有利于保证快速的吸氢和脱氢动力学过程。

图3：（a）纯的Si2BN单层；（b）15H2@Si2BN和（c）30H2@Si2BN的电子定位函数（ELF）结果

图4：（a）15H2@Si2BN和（b）30H2@Si2BN的DOS结果

这项工作通过DFT理论计算模拟氢气分子在Si2BN单层上的吸附作用，表明纯的Si2BN单层具有**的储氢潜力，是一种有发展前途的新型储氢材料，同时也为开发和利用其他新型储氢材料提供了新的思路。

wyf 04.23