Hydrogen Adsorption on Li+ and Na+ Decorated Coronene and Corannulene: DFT, SAPT0, and IGM Study

Abstract

Нові системи для зберігання водню мають велике значення для сучасної енергетики. У роботі ми досліджуємо адсорбцію водню на плоских (коронен) та зігнутих (коранулен) моделях адсорбенту за допомогою обчислень DFT-D3 та SAPT0. Для покращення поглинання водню ми також використовуємо "оздоблення" адсорбентів катіонами M (M = Li, Na). Було встановлено, що коранулен адсорбує катіони Li та Na майже однаково порівняно з короненом. Однак адсорбція водню набагато більш виражена у випадку коранулена. Так, наприклад, енергії адсорбції (Ea) для 1-ї та 4-ї молекул водню, адсорбованих на Li+@coronene and Li+@corannulene, складають відповідно – 4.387, – 1.336 ккал/мол та – 5.047, – 3.477 ккал/мол. Ми також використовуємо метод незалежної градієнтної моделі (IGM) для візуалізації взаємодіючих областей між катіонами, воднем та адсорбентами, що вивчаються. Ми ретельно показуємо сильну взаємодію між M+ та молекулами адсорбенту, а також слабку взаємодію між воднем та досліджуваними катіонами. Отримані результати повинні забезпечити глибокий аналіз основ зберігання водню з використанням поліароматичних вуглеводнів, оздоблених M+.

The novel systems for hydrogen storage are of importance for the contemporary energetics. In this paper, we investigate hydrogen adsorption on planar (coronene) and bent (corannulene) adsorbent models by means of DFT-D3 and SAPT0 calculations. We also use the ‘decoration’ of the adsorbents with M (M = Li, Na) cations to improve H2 uptake. It was founded that corannulene adsorbs Li and Na cations almost equally compared with coronene. However, hydrogen adsorption is much more pronounced in the case of corannulene. Thus, for instance, adsorption energies (Ea) for the 1st and 4th H2 molecules adsorbed on Li+@coronene and Li+@corannulene are – 4.387, – 1.336 kcal/mol and – 5.047, – 3.477 kcal/mol, respectively. We also employ the independent gradient model (IGM) method to visualize interacting regions between cations, hydrogen and studied adsorbents. We accurately show the strong interactions between M+ and the adsorbent molecules as well as the weak ones between H2 and studied cations. The present results should provide in-depth analysis of the fundamentals of hydrogen storage using M+-decorated polyaromatic hydrocarbons.