Single-walled Boron Nitride Pores as Media for Hydrogen Storage: DFT and IGM Study

Abstract

Пошук нових середовищ для зберігання водню є важливим для переходу на "зелену" водневу енергетику. У даній роботі ми вивчаємо фізадсорбцію водню на порах одношарового нітриду бору (BN) за допомогою розрахунків DFT-D3. У роботі були задіяні різноманітні структури, від плоскої до порожнистих моделей. Встановлено, що моделі глибоких пор адсорбують молекули Н2 значно сильніше (енергія адсорбції Еа складає від – 11.41 до – 19.77 кДж/моль), ніж плоска структура h_BN (– 3.55 кДж/моль) і злегка зігнута структура 5_BN (6.77 кДж/моль). Для візуалізації взаємодіючих областей між воднем і серією адсорбентів використовувався додатковий незалежний градієнтний аналіз (IGM). Також ми чітко виявляємо атоми адсорбентів та молекулу адсорбату, що беруть участь у взаємодії. Ми показуємо, що периферійні атоми адсорбентів дають майже незначний внесок у загальну нековалентну взаємодію. Наведені результати повинні розширити розуміння фундаментальної основи зберігання водню з використанням моделей пор нітриду бору.

The search of novel hydrogen storage media is of importance for the transfer to the ‘green’ hydrogen energetics. In this paper, we study hydrogen physisorption on single-walled boron nitride pores (BN) by means of DFTD3 calculations. A variety of structures, ranging from the planar one to hollow pore models, was involved. It was founded that deep pore models adsorb H2 molecules significantly stronger (adsorption energy, Ea, of – 11.41 to – 19.77 kJ/mol) than planar h_BN (– 3.55 kJ/mol) and slightly bent 5_BN (6.77 kJ/mol). Additional independent gradient model (IGM) analysis was employed to visualize interacting regions between hydrogen and a series of adsorbents. We also clearly reveal the atoms of adsorbents and the adsorbate molecule participating in the interaction more. We unambiguously show that peripheral atoms of the adsorbents give nearly negligible input in the total non-covalent interactions. The present results should expand our understanding of the fundamental basis of hydrogen storage using BN pore models.