微纳材料设计与制造研究中心

轻金属-改性石墨烯相互作用调控氢分子吸附能

石墨烯以其轻质高表面积等优势在储氢材料领域有巨大潜力。然而石墨烯以范得华力与氢分子结合，吸附太弱使得不能在室温有效吸附。相反，金属氢化物中氢与金属形成化学键，结合力太强难以脱附。为了实现室温下氢分子的有效吸附和脱附，要求氢分子的吸附能在0.2~0.5eV/H₂。石墨烯的金属修饰是一种折中并有效的实现氢分子吸附的方式，相关报道表明，金属的修饰可以有效增强氢分子吸附能。然而目前人们对金属修饰石墨烯的储氢机制还不明确，如何选择合适的金属以及石墨烯基底对氢分子吸附能的影响仍然是一个未知问题。

本课题组文艳伟老师运用第一性原理计算方法，系统地研究了轻金属（Li,Na,K,Be,Mg,Ca）与石墨烯以及改性石墨烯基底的相互作用，从理论上阐明了氢分子与金属修饰的石墨烯基底的结合本质是诱导极化相互作用，并指出金属与石墨烯之间的电荷转移量以及所形成的偶极矩决定了氢分子的吸附能强度。通过对比基底的变化，揭示了石墨烯基底引入缺陷、杂质等局域结构一方面可以有效锚定金属原子防止团聚，另一方面可以改变金属与基底间的电荷转移量，实现氢分子吸附能的有效调控。进一步通过多个氢分子吸附能的研究，指出Mg和Ca是高容量储氢最合适的修饰金属种类。这一工作为寻找下一代高效的储氢材料提供了重要的理论指导，相关工作已被Int. J. Hydrogen Energ.接收。