A DFT Study of Hydrogen Adsorption on h-BN: Boron Doping Effects

Abstract

У роботі теоретично досліджено адсорбцію молекули водню на гексагональному нітриді бору (h-BN), на h-BN збагаченому бором та гетероструктурі h-BN/графен з використанням стандартного узагальненого градієнтного наближення GGA PBE, а також функціоналів щільності PBE-D3 and B3LYP-D3 з корегованою дисперсією. Молекула коронену (C24H12) була узята як модель графенової системи. Як структура h-BN, використовувалася модель B12N12H12. Ми залучили B13N11H12, B14N10H12 та B15N9H12 як моделі збагачені бором. Для гетероструктури h-BN/графен ми використали модель C18B3N3H12. Встановлено, що дисперсійні взаємодії вносять важливий внесок у енергію адсорбції водню (Ea). Для h-BN покрокове заміщення азоту атомами бору змінює значення Ea. Однак ці зміни є досить помірними. Всі три використані методи прогнозують значне збільшення Ea для гетероструктури h-BN/графен, особливо при розгляді горизонтальної конфігурації. Результати цієї роботи показують, що введення невеликої кількості атомів з різними електронегативностями в одну структуру адсорбенту може істотно збільшити Ea, але приріст сильно залежить від конфігурації взаємодіючих видів. Ми вважаємо, що деякі з міркувань, отриманих у роботі, сприятимуть більш глибокому розумінню явищ адсорбції водню та розробці нових матеріалів для зберігання водню.

In the paper, we have theoretically studied the adsorption of a hydrogen molecule on hexagonal boron nitride (h-BN), boron-rich h-BN, and the h-BN/graphene heterostructure by using standard GGA PBE as well as dispersion-corrected PBE-D3 and B3LYP-D3 density functionals. The coronene molecule (C24H12) has been adopted as a graphene model system. As the h-BN structure we use B12N12H12 model. As the boron rich models, we involve B13N11H12, B14N10H12, and B15N9H12. For the h-BN/graphene heterostructure we use the C18B3N3H12 model. It has been founded that the dispersion interactions make an important contribution to the hydrogen adsorption energy (Ea). For h-BN, the step-by-step substitution of nitrogen with boron atoms modifies Ea values. However, these changes are rather moderate. All three methods used predict the considerable increase in Ea for the h-BN/graphene heterostructure, especially when the horizontal configuration is considered. The results of this work indicate that the introduction of the small amount of atoms with different electronegativities in one adsorbent structure may substantially increase Ea, but the increment is strongly dependent on the configuration of the interacting species. We believe that some of the considerations, derived in our work, will contribute to a deeper insight into hydrogen adsorption phenomena and development of new materials for hydrogen storage.