探索钇掺杂 C$_{24}$ 富勒烯作为高容量可逆储氢材料：基于密度泛函理论的研究

采用前沿的密度泛函理论，我们报道了钇修饰 C$_{24}$ 富勒烯的储氢能力。单个 Y 原子附着在 C$_{24}$ 富勒烯上可可逆吸附最多 6 个 H$_2$ 分子，平均吸附能为 -0.37 eV，平均脱附温度为 477 K，适用于燃料电池应用。氢的质量重量含量为 8.84%，超过了美国能源部(DoE) 6.5 wt% H 的目标值。由于电荷从 Y-4d 和 Y-5s 轨道转移到 C$_{24}$ 富勒烯的 C-2p 轨道，Y 原子与 C$_{24}$ 富勒烯强结合，结合能为 -3.4 eV。H$_2$ 分子与 Y 原子的相互作用源于 Kubas 型相互作用，涉及金属 d 轨道向 H 1s 轨道的电荷捐赠以及反馈捐赠，导致 H-H 键长轻微伸长。通过第一性原理分子动力学模拟确认了系统在最高脱附温度下的稳定性，并通过计算 Y 原子运动的扩散能垒研究了金属-金属团簇的形成。除 GGA 交换关联泛函的贡献外，我们还通过应用色散能修正对所有计算能量进行了范德华(vdW)相互作用修正。C$_{24}$+Y 体系在室温下稳定，且在最高脱附温度下，足够的扩散能垒阻止了金属-金属团簇化。此外，H$_2$ 的结合能在 DoE 的目标值(-0.2-0.7 eV/H$_2$)范围内，而 H$_2$ 吸收量(8.84% H)高于 DoE 标准。因此，我们提出 Y 修饰 C$_{24}$ 富勒烯可被设计为具有实际可行潜力的储氢候选材料。