Exploring the hydrogen storage possibility of the pristine, defected and metals decorated o-B2N2 monolayers: Insights from DFT simulations

单层 氢气储存 密度泛函理论 结合能 材料科学 吸附 合金 过渡金属 物理化学 化学 无机化学 计算化学 纳米技术 催化作用 有机化学 原子物理学 冶金 物理
作者
Darshil Chodvadiya,Shreya Kanabar,Brahmananda Chakraborty,Prafulla K. Jha
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier BV]
卷期号:53: 958-968 被引量:10
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.11.326
摘要

To explore the possibility of hydrogen storage, we conducted dispersion-corrected density functional theory (DFT-D3) simulations on pristine, defected and metals (including Na and K alkali metals, Be, Mg and Ca alkaline-earth metals and Sc, Ti, Y and Zr transition metals) decorated orthorhombic diboron dinitride (o-B2N2) monolayers. The results suggest that the pristine, defected and metals (Na, K, Be, Mg, Ca, Sc, Y and Zr) decorated o-B2N2 monolayers are not desirable medium for storage of hydrogen. However, the Ti decorated o-B2N2 monolayer showed promising potential for hydrogen storage medium. The Ti atom displayed a significant binding energy (Eb) of −2.79 eV with the o-B2N2 monolayer, causing a reduced band gap and increased conductivity. In the case of Ti decorated o-B2N2 monolayer, the adsorption energy (Ead) for first hydrogen adsorption is −0.47 eV, meeting the department of energy (DoE)'s criteria. In addition, a charge donation from the Ti metal to o-B2N2 monolayer has been observed through PDOS, Löwdin charge transfer and charge density difference. The two Ti decorated o-B2N2 monolayer can bind a total of thirty-four hydrogen molecules within the DoE's limit, with Ead of −0.31 eV/H2 and 396 K of desorption temperature. The calculated gravimetric storage capacity is 11.21 %, which is remarkably higher than the DoE's specified range. Ab initio molecular dynamics calculations predict a favourable thermal stability of two Ti decorated o-B2N2 monolayer at 396 K. As a summary, this research highlights the promising prospects of the Ti decorated o-B2N2 monolayer as an efficient medium for high-capacity hydrogen storage.

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