A DFT study on 18-crown-6-like-N$_8$ structure as a material for metal-ions storage: stability and performance
本研究通过DFT计算探讨了二维18-冠-6-like N8结构作为后锂电池电极材料的潜力，发现其具有0.54 eV带隙及对Na和Mg离子1675 mAh/g的高存储容量，兼具高稳定性和优异电化学性能。
2025-04-29 cond-mat.mtrl-sci
General Theory of Absorption in Porous Materials: The Restricted Multilayer Theory
在本文中，我们提出了一种方法的推广吸附轻气体在多孔材料。这一新理论超越了朗缪尔和BET理论，这些理论是标准方法，由于它们对可能的吸附层数量的非物理假设，限制了对结晶多孔材料的应用。推导出更一般的方程为任何结晶多孔框架;限制多层理论（RMT）。我们的方法允许只考虑多孔框架的几何约束和客体分子与框架的相互作用能的气体吸收的测定。在此基础上，计算了不同温度和压力下的吸附焓最佳值。我们还提出了使用这个理论来确定拓扑等价框架系列的最佳接头长度。我们通过将其应用于金属有机框架（MOF）来验证这种理论方法，并表明它再现了7种不同材料的实验结果。我们得到的通用方程的最佳连接长度给定的多孔框架的拓扑结构。这项工作将通用方程应用于MOFs和H $_2$以创建储能材料，然而该理论可以应用于其他结晶多孔材料和轻气体，这打开了通过首先仅考虑多孔材料的几何约束来设计下一代储能材料的可能性。
2018-03-25 cond-mat.mtrl-sci
Self-Enhancing Halite Growth Creates Secondary Porous Networks During CO2 Storage in Saline Aquifers
本研究通过X射线成像揭示CO2封存中石盐自增强生长形成40%孔隙度的多孔网络，解释了渗透率骤降机制，为改进预测模型提供关键参数。
2025-10-23 cond-mat.mtrl-sci physics.geo-ph
Alloying Ratio Versus Cluster Size for Reversible Hydrogen Storage in Ni Doped Small Mg Clusters: Dispersion Corrected DFT Study
采用色散校正密度泛函理论（$ω$ B 97 X-D DFT）方法研究了氢分子在$Ni_nMg_m$ $(1\geq n\geq 3,1\geq m\geq9)$团簇中的吸附.所有这些簇可以在物理吸附和化学吸附之间的优选结合能（BE）范围内有效地吸附多个$H_2$，即，$0.1 eV\geq BE \geq0.8 $ eV。$H_2$在$Ni_kMg_k$（Ni：Mg=1：1）、$Ni_kMg_{2k}$（Ni：Mg=1：2）和$Ni_kMg_{3k}$（Ni：Mg=1：3）（k=1-3）团簇上的吸附随Ni：Mg合金化比例和团簇尺寸的变化而表现出有趣的行为。在每个Ni：Mg比中，在较重的簇（k=2，3）中吸附的$H_2$的数目变为在最轻的配置（k=1）中的$H_2$的数目的整数倍。因此，分子氢的重量密度在每个Ni：Mg比率下保持固定，而与簇大小无关。相应的数值为$17.94$ $wt\%$ $(1:1)$、$14.46$ $wt\%$ $(1:2)$和$13.28$ $wt\%$ $(1:3)$，明显高于美国能源部设定的$6.5$ $wt\%$的最终目标。分子动力学模拟进一步表明，几乎所有的$H_2$分子的室温解吸是可能的所有集群。
2022-02-25 cond-mat.mtrl-sci
Generative AI for Discovering Porous Oxide Materials for Next-Generation Energy Storage
本研究提出结合CDVAE与微调LLM的生成式AI框架，结合数据挖掘与机器学习筛选，经DFT和M3GNet验证，发现5种稳定性更优的过渡金属氧化物，为多价离子电池开放隧道氧化物材料探索提供高效新路径。
2024-10-09 cond-mat.mtrl-sci
Physics-Informed and Knowledge-Driven Generative AI for Autonomous Discovery of Porous Oxide Energy Materials: Opportunities and Challenges
New Jersey Institute of Technology (NJIT)（新泽理工学院）
本文针对多孔氧化物能源材料的自主发现问题，提出整合多维度物理信息的七层逆向设计框架与知识生成体系，为AI驱动的储能材料自主发现提供通用方案。
2026-11-04 cond-mat.mtrl-sci
On the Automation of High Throughput Modeling of Adsorption In Porous Zeolitic Imidazolate Frameworks
本文提出基于第一性原理DFT的高通量自动化方法，结合孔分析、CO₂分子放置算法与碰撞检测，系统表征ZIF吸附能量学，以加速筛选和设计高性能CO₂捕集材料。
2025-04-09 cond-mat.mtrl-sci
Boron-doped graphene -- DFT study of the role of dopant concentration and oxidation on sodium and aluminium storage applications
本文利用DFT计算研究硼掺杂浓度和氧化对石墨烯反应活性、电导率及钠/铝存储性能的影响，发现硼掺杂和氧化可将钠存储容量提高至4倍。
2023-07-06 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Study of hydrogen absorption in a novel three-dimensional graphene structure: Towards hydrogen storage applications
新型三维石墨烯结构的使用允许规避石墨烯的二维性质及其在氢吸收中的应用的限制。在这里，我们研究通过在多孔化的4 H-SiC晶片的（0001）面上的外延生长方法共形生长的单层石墨烯上的氢键。通过热脱附光谱（TDS）研究氢吸收，将样品暴露于原子（D）或分子（D2）氘。石墨烯的生长温度，氢暴露温度，和结构的形态进行了研究，并与它们对氢吸收的影响。当暴露于D2时，三维石墨烯结构化学结合原子氘。这是在非官能化的石墨烯基材料中的这种事件的第一份报告，并意味着存在催化裂解机制。它进一步表明，多孔材料的三维树枝状结构暂时保留解吸的分子，并导致延迟发射。在氢的催化裂解后化学吸附原子的能力，加上其大的表面积与体积比，使这些结构成为储氢器件的有前途的衬底。
2023-02-17 cond-mat.mtrl-sci
Light-Metal Functionalized Boron Monoxide Monolayers as Efficient Hydrogen Storage Material: Insights from DFT Simulations
本研究通过DFT、AIMD和热力学分析，发现轻金属（Li、Na、K、Ca）功能化的一氧化硼单层具有稳定的晶体结构和高达11.75 wt%的储氢容量，超过美国能源部2025年目标，是极具潜力的材料基储氢介质。
2024-02-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Machine learning via artificial neural networks coupled with density functional theory and experiments for thermodynamic optimization of high-entropy alloys for hydrogen storage at room temperature
WPI, International Institute for Carbon-Neutral Energy Research (WPI-I2CNER), Kyushu University（九州大学）；Department of Automotive Science, Graduate School of Integrated Frontier Sciences, Kyushu University（九州大学）；Institute for Materials Science, University of Stuttgart（斯图加特大学）
本研究采用人工神经网络和密度泛函理论设计新型AB型Ti_xNb_{2-x}VCrMnFe高熵合金，预测钛含量增加使氢化物生成焓降至-25至-39 kJ/mol，实验验证了富钛合金在室温下可逆快速储氢。
2026-06-03 cond-mat.mtrl-sci
Rational design of carbon-based materials for purification and storage of energy carrier gases of methane and hydrogen
当今世界，快速增长的能源需求和燃料资源枯竭是最令人关注的问题之一。因此，人们迫切需要找到高效、经济、环保的能源储存和生产系统。目前的许多研究工作证明，气体能量载体，如甲烷和氢气似乎是替代燃料资源的正确选择。然而，这种新能源面临的最重要挑战是相对较低的体积储能密度。在多孔固体吸附介质中进行高压气体储存被认为是解决气体能量密度问题的最佳途径之一。著名的多孔碳材料家族，具有合适的孔径分布，中心在100 μ m范围内，每体积固体中有大量的吸附位点，为气体储存应用开辟了很大的范围。这篇综述文章代表了最先进的技术，精确地关注了已经和可以做些什么来改善/增强低成本碳基吸附剂的传统和新型结构的气体/能量储存能力。我们回顾了各种各样的设计策略来合成碳质吸附剂，重点是建立结构特性和气体吸附性能之间的联系。在这方面，已经研究了各种合成技术，重点是更有趣的最新进展，该进展允许更好地控制和优化多孔碳的孔隙率以最大化气体储存容量。我们还将表明，碳基吸附剂，特别是活性炭，已被广泛研究，仍然是一个强大的候选人在寻找能源载体经济。最后展望了碳基材料的发展前景。
2022-04-21 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Electron and phonon properties and gas storage in carbon honeycomb
最近合成了一种新型三维碳同素异形体，称为碳蜂窝（CHC）[PRL 116，055501（2016）]。在实验结果的基础上，构建了一族石墨烯网络，并利用第一性原理方法计算了它们的电子和声子性质。所有网络都是多孔金属，沿着蜂窝轴具有两种类型的电子输运通道，并且它们彼此隔离：一种类型的通道源自碳锯齿链的轨道相互作用并且是拓扑保护的，而另一种类型的通道来自连接锯齿链的碳原子的直线并且是拓扑平凡的。电子的速度可以达到~10^6 m/s。这些同素异形体中的声子输运是强各向异性的，并且当与石墨相比时，热导率可以非常低，至少为15倍。我们的计算进一步表明，这些多孔碳网络具有高的气体原子和分子的存储容量与实验一致。
2016-06-06 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Harnessing Artificial Intelligence for Modeling Amorphous and Amorphous Porous Palladium: A Deep Neural Network Approach
本文提出用深度神经网络拟合从头算分子动力学数据来建模非晶态及非晶态多孔钯的原子间势，在保证精度接近密度泛函理论的同时大幅降低计算成本，为加速非晶材料在能源与催化中的应用提供了新途径。
2025-01-30 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Schwarzites for Natural Gas Storage: A Grand-Canonical Monte Carlo Study
由于在不久的将来合成的可能性，称为Schwarzites的3D多孔碳基结构最近已成为重新关注的主题。这些结构表现出负曲率拓扑结构，具有可调的多孔尺寸和形状，这使它们成为CO2捕获，气体储存和分离等应用的天然候选者。然而，这些材料的吸附性能尚未得到充分研究。基于这一动机，我们进行了巨正则蒙特卡罗模拟来研究小分子如CO2、CO、CH 4、N2和H2在一系列Schwarzites结构中的吸附。在这里，我们提出了我们的初步结果，天然气吸附能力与宾主相互作用强度的分析。研究结果表明，P7 par、P8 bal和IWPg是最有前途的碳纤维结构，具有很高的CO2和CH 4吸附容量，且在室温下饱和压力较低（<1bar）。P688由于其异常高的H2吸附焓值（-19kJ/mol）而对H2储存感兴趣。
2018-01-19 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
NMR studies of adsorption and diffusion in porous carbonaceous materials
多孔碳质材料具有许多重要的工业应用，包括储能、水净化和挥发性有机化合物的吸附。它们的大多数应用依赖于碳颗粒内部孔体积内的分子或离子的吸附。因此，在分子水平上了解吸附物物种的行为和性质是优化多孔碳材料的关键，但由于无序碳结构的复杂性和系统中多相的存在，这是非常具有挑战性的。近年来，核磁共振光谱学已经成为为数不多的实验技术之一，可以解决吸附物种从那些以外的孔隙网络。吸附的或“孔内”物质产生共振，与它们的游离（或“孔外”）对应物相比，共振出现在较低的化学位移处。这种屏蔽效应主要是由于在磁场存在下碳结构中的环电流而产生的，使得在吸附时观察到的化学位移差异在第一近似下与核无关。理论模型在合理化和解释这些实验观察方面发挥了重要作用。总之，实验和模拟已经使得能够获得大量关于吸附物质的吸附和扩散的信息，以及关于多孔碳吸附剂的结构和磁性的信息。在这里，我们回顾方法的发展和应用NMR光谱和相关建模在这一领域，并提供未来可能的应用和研究方向的观点。
2020-12-14 cond-mat.mtrl-sci
On-surface synthesis of antiaromatic and open-shell indeno[2,1-b]fluorene polymers and their lateral fusion into porous ribbons
多环碳氢化合物由于其在有机电子学中的潜在作用而受到极大的关注，对于具有不成对电子密度的开壳层系统，在自旋电子学和数据存储中具有潜在的作用。然而，多自由基碳氢化合物固有的不稳定性严重限制了对其电子结构的详细研究。在这里，我们报告的表面合成共轭聚合物组成的茚并[2，1-b]芴单元，这是反芳族和开壳biradicaloid。所观察到的反应产物，其中还包括一个非苯型多孔带所产生的未受保护的茚并[2，1-b]芴链的横向融合，其特征在于通过低温扫描隧道显微镜/光谱和非接触式原子力显微镜，辅以密度泛函理论计算。这些聚合物吸附在Au（111）上时呈现低的带隙。此外，通过从头计算阐明了它们突出的反芳香性和自由基特性，使它们在电子学和自旋电子学中具有应用前景。此外，它们为探索低维有机纳米材料中的磁性提供了丰富的游乐场。
2019-08-29 cond-mat.mtrl-sci
From 2D to 1D in beta-Naphthyne: A Porous Carbon Allotrope Merging Graphyne and Naphthylene
本文提出新型多孔二维碳同素异形体 beta-naphthyne，通过第一性原理计算验证其稳定性、金属性、各向异性力学与光学性质，并发现其一维结构具有Dirac锥及金属—半导体转变。
2025-03-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Unravelling H$_2$ chemisorption and physisorption on metal decorated graphene using quantum Monte Carlo
本研究采用量子扩散蒙特卡洛方法计算Li、Na、Ca、K修饰石墨烯的氢吸附能，验证了Ca修饰石墨烯上Kubas结合的可行性，发现常用DFT方法与DMC结果存在非系统性差异，为储氢材料筛选提供高精度参考。
2023-08-29 cond-mat.mtrl-sci
Conformal Titanium Nitride in a Porous Silicon Matrix: a Nanomaterial for In-Chip Supercapacitors
今天的超级电容器储能器通常是针对印刷电路板和电源应用的分立器件。自主传感器网络和可穿戴电子产品的发展以及移动设备的智能化将大大受益于能量存储与有源设备集成的解决方案。基于多孔硅（PS）的纳米结构由于非常高的固有表面积与体积比以及与微电子制造工艺的兼容性而提供了一种集成途径。不幸的是，原始PS在电解质中具有有限的润湿性和差的化学稳定性，并且PS基质的高电阻严重限制了功率效率。在这项工作中，我们证明了优异的润湿性和电化学性能，在水溶液和有机电解质，可以通过涂覆的PS矩阵与超薄层的氮化钛原子层沉积。我们的方法导致非常高的比电容（15 F/cm $^3$）、能量密度（1.3 mWh/cm $^3$）、功率密度（高达214 W/cm $^3$）和优异的稳定性（超过13，000次循环）。此外，我们表明，PS-TiN纳米材料可以集成在硅芯片单片结合MEMS和纳米纤维技术。这导致了芯片内超级电容器的实现，即，它开辟了一种新的方式来利用硅芯片的非活性体积来存储能量。
2016-03-02 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Molecular pillar approach to grow vertical covalent organic framework nanosheets on graphene: new hybrid materials for energy storage
制备了由垂直取向的共价有机框架（COFs）和石墨烯组成的杂化2D-2D材料，并测试了其储能应用。将共价连接到氧化石墨烯（GO）的二硼酸分子用作用于引导COF-1纳米片（v-COF-GO）垂直生长的成核位点。该杂化材料显示出相对于GO边缘取向的厚度为约3至15 nm的COF-1纳米片森林。在不存在分子柱的情况下进行的相同反应导致平行于GO表面的厚COF-1片晶的不可控生长。将v-COF-GO转化为导电碳材料，保留了前体的纳米结构，其中多孔碳纳米片以边缘取向接枝到石墨烯上。它被证明是超级电容器的高性能电极材料。分子柱方法可用于制备许多其他2D-2D材料，并控制它们的相对取向。
2018-04-25 cond-mat.mtrl-sci
Real-Space Imaging of the Ordered Small Molecule Orientations in Porous Frameworks by Electron Microscopy
在电子显微镜下，小分子的实空间成像一直是一个难题，但对于研究各种纳米尺度的相互作用，如氢键和范德华力（vdW），却有着很高的要求。特别是在分子水平上直接识别多孔材料中的主客体相互作用，将使人们更深入地了解客体分子在吸附、催化、气体分离和能量储存过程中的行为。本文采用扫描透射电子显微镜（STEM）结合积分微分相衬（iDPC）技术直接解析了吸附在ZSM-5骨架上的对二甲苯（PX）的有序构型，以确定主-客体vdW相互作用。基于这些观察，我们发现，在一个直通道的PX修改通道的几何形状与一致的取向。相邻的直孔道沿不同方向发生了8.8%的变形，对应于三种主要的PX构型，导致ZSM-5晶格的整体膨胀可以忽略不计。然后，我们还可以在原位加热过程中，在ZSM-5孔道中的PX的无序和解吸图像。这一工作不仅有助于我们研究ZSM-5中的主-客体vdW相互作用和PX的吸附行为，而且为进一步成像和研究STEM下的其他单分子行为提供了有效的工具。
2020-01-27 cond-mat.mtrl-sci
Accentuating the Competency of $3d$ Transition Metal Doped $Mg_4$ Clusters towards Molecular Hydrogen Adsorption: A DFT Study
密度泛函理论$(DFT)$研究表明，$3d TM$原子掺杂到$Mg_4^{0,+} (TMMg_3^{0,+})$中可以改变分子氢在裸$Mg_4^{0,+}$上吸附的吸热性质。$H_2$在$TMMg_3^{0,+}$团簇上的吸附取决于$TM(3d)$轨道对团簇前线分子轨道的贡献。在$H_2TMMg_3^{0,+}$复合物中，$H_2$通过电子电荷与$TMMg_3^{0,+}$簇的捐赠和反馈而被吸附。在中性和阳离子$TMMg_3$簇中，$H_2$结合能分别为$NiMg_3$（-0.76 eV）和$FeMg_3^+$（-0.48 eV）的最大值。$H_2$吸附复合物的几何形状完全取决于主体簇的几何形状。$NiMg_3$和$FeMg_3^+$团簇的最低能量对称结构对于吸附多个氢分子的效率低于一些稍高能量的低对称几何异构体（$NiMg_3$的13.28 $H_2$ $wt\%$和$FeMg_3^+$的7.89 $H_2$ $wt\%$）。$TM^{0,+}$的更大的溶解性以及其较低的Mg配位数使得主体簇更适合于储氢。
2021-12-18 cond-mat.mtrl-sci
Facet Specific Electron Conduction in Pentavalent (W5+) WO3 Drives Superior Photocatalytic CO 2 Reduction in (002) Plane
本研究通过热诱导拓扑改性合成含氧空位多孔WO3纳米片，发现（002）晶面优先聚集光生电子增强电子传导，提升光催化CO2还原性能，为原子结构调控材料性质提供新思路。
2025-10-17 cond-mat.mtrl-sci
Bougainvillea derived porous carbons and their performance in magnetic field as supercapacitor electrodes
随着对诸如电池和超级电容器的电能存储装置的需求的增加，正在投入相当大的努力来提高当前技术的效率和应用，同时保持其可持续性。考虑到这一点，我们已经说服了废弃生物质衍生的碳粉末作为超级电容器/电池电极的制备和表征。此外，我们已经评估了这种碳在外部磁场存在下的性能，因为我们期望石墨烯样结构具有内在的磁性。在这里，我们报告了三角梅花瓣和碎屑到石墨烯碳的价值，并探索了一种新的双电层超级电容器装置，该装置使用Zn+2离子进行内部电荷传输，并且能够在施加外部磁场时显示出更高的性能。
2021-10-20 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Exploring yttrium doped C$_{24}$ fullerene as a high-capacity reversible hydrogen storage material: DFT investigations
采用密度泛函理论研究了钇修饰的C $_{24}$富勒烯的储氢性能。单Y原子在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，适合于燃料电池应用。氢的重量含量为8.84%，超过了美国能源部（DoE）规定的6.5wt%H的目标值。Y原子与C $_{24}$富勒烯的结合能为-3.4 eV，这是由于Y-4d和Y-5s轨道向C $_{24}$富勒烯的C-2 p轨道的电荷转移所致. H $_2$分子与Y原子的相互作用是由于Kubas型相互作用，涉及从金属d轨道到H 1 s轨道的电荷捐赠，以及导致H-H键长轻微延长的反馈捐赠。通过从头计算分子动力学模拟证实了体系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。我们已经纠正了所有的范德华力（VDW）相互作用的计算能量，通过应用色散能量校正，除了GGA交换相关功能的贡献。C $_{24}$ +Y系统在室温下是稳定的，并且在最高脱附温度下，足够的扩散能垒的存在防止金属-金属聚集。此外，H $_2$的结合能在DoE的目标值内（-0.2-0.7 eV/H $_2$），而H $_2$吸收（8.84% H）高于DoE的标准。因此，我们建议Y修饰的C $_{24}$富勒烯可以作为一个实际可行的潜在的储氢候选人。
2022-02-10 cond-mat.mtrl-sci physics.atm-clus physics.chem-ph
Screening novel cathode materials from the Energy-GNoME database using MACE machine learning force field and DFT
Politecnico di Torino（都灵理工大学）；Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica（意大利国家计量研究所）
本文利用MACE机器学习力场和DFT方法，从Energy-GNoME数据库中筛选新型正极材料，以开发下一代电池技术。
2026-02-09 cond-mat.mtrl-sci
Effects of atoms and molecules adsorption on electronic and magnetic properties of s-triazine with embedded Fe atom: DFT investigations
采用第一性原理计算方法研究了Fe原子嵌入均三嗪（$\mathrm{Fe}$ @ ${\mathrm C_6}{\mathrm N_6}$）体系在外界环境影响下的力学、几何、电学和磁学性质.我们的研究结果表明，$\mathrm{Fe}$ @ ${\mathrm C_6}{\mathrm N_6}$的结合能可以通过施加拉伸变形和垂直电场调制。研究发现，Fe原子嵌入均三嗪片（${\mathrm C_6}{\mathrm N_6}$）的多孔位后，其非磁性半导体性质发生了变化。结果表明，$\mathrm{Fe}$ @ ${\mathrm C_6}{\mathrm N_6}$体系具有半金属电子性质，其磁矩量级与孤立Fe原子的磁矩量级相似.在电场强度为10 V/nm，拉伸应变为6%的条件下，$\mathrm{Fe}$ @ ${\mathrm C_6}{\mathrm N_6}$体系的电子和磁性均保持不变.有趣的是，我们发现$\mathrm{Fe}$ @ ${\mathrm C_6}{\mathrm N_6}$系统的半金属电子特性可以通过原子和分子吸附到$\mathrm{Fe}$ @ ${\mathrm C_6}{\mathrm N_6}$系统中而被调谐到半导体中。吸附原子/分子的$\mathrm{Fe}$ @ ${\mathrm C_6}{\mathrm N_6}$的磁矩也被修改。我们的研究结果…
2017-04-12 cond-mat.mtrl-sci
Exploring Phononic Properties of Two-Dimensional Materials using Machine Learning Interatomic Potentials
声子性质通常通过使用密度泛函理论（DFT）模拟计算力常数来研究。虽然DFT模拟提供了声子色散关系或热性质的准确估计，但对于低对称性和纳米多孔结构，计算成本很快变得非常苛刻。此外，计算设置可能会产生非物理虚频的声子色散曲线，阻碍评估的声子特性和所考虑的系统的动力学稳定性。在这里，我们计算声子色散关系，并检查一个大的合奏的新材料和组合物的动力学稳定性。我们提出了一个快速和方便的替代DFT模拟来自机器学习原子间势被动训练计算效率的从头分子动力学轨迹。我们的结果为不同的二维（2D）纳米材料证实，所提出的计算策略可以重现基本的热性能与通过DFT方法获得的密切一致。该方法为低对称性多孔二维材料的动力学稳定性研究和声子特性研究提供了一种稳定、高效、方便的解决方案。
2020-05-11 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Sodium storage via single epoxy group on graphene - The role of surface doping
由于其独特的物理和化学性质，石墨烯被认为是一种有前途的能量转换和存储应用材料。在石墨烯上/中引入官能团和掺杂剂是调节其性质的有用策略。为了充分利用其潜力，需要对其与这些应用的重要物种的相互作用进行原子级理解。我们提出了一个DFT研究的钠原子与环氧石墨烯的相互作用，并分析这种相互作用是如何影响掺杂硼和氮。我们展示了掺杂剂如何与含氧基团结合，改变石墨烯对Na的反应性。掺杂剂充当环氧基团的吸引子，当与未掺杂的环氧-石墨烯的情况相比时，增强了钠在掺杂的氧官能化石墨烯上的吸附。此外，通过考虑Na与掺杂的环氧-石墨烯的相互作用的热力学，已经得出结论，这种材料是Na存储应用的良好候选者。因此，我们认为，掺杂碳材料的控制氧化可能导致可充电钠离子电池的先进阳极材料的发展。
2018-01-25 cond-mat.mtrl-sci
Three-dimensional graphene on a nano-porous 4H-SiC backbone: a novel material for food sensing applications
本文提出在化学刻蚀多孔4H-SiC晶圆上生长三维石墨烯的新型食品传感器，利用四线电阻测量区分完好与受损榛子，信号可稳定数天。
2023-09-23 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Agarose Derived Carbon Based Nanocomposite for Hydrogen Storage at Near-Ambient Conditions
本文通过热分解法制备镍纳米颗粒分散于多孔碳的纳米复合材料，在20 bar、298 K下实现0.73 wt.%储氢容量，较纯碳提升6.5倍，并具备可逆循环性。
2024-05-28 cond-mat.mtrl-sci
Structure map of AB$_2$ type 2D materials by high-throughput DFT calculations
通过基于密度泛函理论的高通量计算，我们构建了3844个化合物的AB $_2$型单分子膜的结构图，这些化合物都是选自周期表的62种元素的组合。该结构图及其网络版（www.openmx-square.org/2d-ab2/）提供了3844种化合物二维（2D）结构的全面结构趋势，并正确预测了大多数现有2D化合物的结构，如过渡金属二硫属化物和具有1 T或1H型结构的MXene。我们还总结了所有的家庭的1 T/1H型AB $_2$单分子膜的周期表中的每一个组的组合的基础上，我们的结构图，并提出了新的类型的结构，如存储结构，这可能是一个候选材料的数据存储应用具有极高的面密度。此外，平面和扭曲的平面结构和其他几何特征的结构被发现，通过高通量计算。这些特征结构可能为寻找未知二维材料提供新的视角和方向。我们的结构图和数据库将促进实验合成未发现的2D材料和理论研究新结构的性能。
2019-04-12 cond-mat.mtrl-sci
One-step Pulsed Laser Deposition of Metal oxynitride/Carbon Composites for Supercapacitor Application
本文提出一步脉冲激光沉积法共烧蚀钛、氮化钒与石墨靶材，室温下合成碳/金属比和氧/氮比可调的三维多孔碳-金属氮氧化物纳米复合电极，并验证其作为无粘结剂超级电容器电极的电荷存储性能。
2024-08-29 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
A theoretical study of the hydrogen-storage potential of (H_2)_4CH_4 in metal organic framework materials and carbon nanotubes
甲烷-氢化合物（H_2）_4CH_4--或简称H4 M--是最有前途的贮氢材料之一。这种范德华化合物的分子氢含量非常丰富：33.3质量%，不包括CH_4中结合的氢;包括它，我们甚至达到50.2质量%。不幸的是，H4 M在环境压力和温度下不稳定，需要低温或高压。在本文中，我们调查的性质和结构的分子和晶体形式的H4 M，使用从头计算方法的基础上的范德瓦尔斯密度泛函（vdW-DF）。我们进一步研究了通过外部试剂（如金属有机框架（MOF）材料和碳纳米管）产生稳定H4 M所需压力的可能性，结果非常令人鼓舞。特别是，我们发现某些MOFs可以在它们的空腔中为H4 M产生相当大的压力，但不足以在室温下稳定它，适度的冷却仍然是必要的。另一方面，我们发现所有研究的碳纳米管都可以产生H4 M在室温下稳定所需的高压，这对新的和令人兴奋的储氢应用有直接的影响。
2012-07-10 cond-mat.mtrl-sci
High Capacity Hydrogen Storage on Zirconium decorated γ-graphyne: A systematic first-principles study
本研究通过第一性原理计算发现，Zr修饰的γ-石墨炔单层膜每个Zr原子可吸附7个H₂分子，储氢密度达7.95 wt%，解吸温度574 K，且高扩散能垒防止金属聚集，是理想的固态储氢材料。
2023-12-27 cond-mat.mtrl-sci
Polylithiated (OLi2) functionalized graphane as a potential hydrogen storage material
采用第一性原理密度泛函理论（DFT）研究了聚锂分子（OLi 2）功能化石墨烷（CH）的储氢量、稳定性、成键机理和电子结构.分子动力学（MD）证实了OLi 2的稳定性，Bader电荷分析描述了OLi 2与CH的成键机制，发现OLi 2在CH片上的结合能足够大，可以保证其均匀分布而不发生聚集.已经发现，每个OLi2单元可以吸附多达6个H2分子，导致12.90重量%的存储容量，其中吸附能在实际H2存储应用的范围内。
2012-07-23 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Mg decorated Boron doped Graphene for Hydrogen Storage
基于第一性原理的密度泛函理论研究了硼掺杂镁原子修饰石墨烯的结构和电子性质。四个H2分子稳定地将镁原子与硼掺杂的石墨烯片结合。计算得到的平均结合能在-0.566 ~-0.687 eV/H2之间。复杂系统的分态密度表明，在-0.1 eV处，H2分子和Mg原子的s和d轨道有重叠，说明H2和Mg原子的s和d轨道分别有很强的杂化和结合。所研究的复杂系统的重量容量达到约8.26重量%的氢。HOMO和LUMO研究揭示了复杂系统的稳定性，DOS研究揭示了复杂系统的电子态密度。
2020-03-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Symmetry- and Gradient-enhanced Gaussian Process Regression for the Active Learning of Potential Energy Surfaces in Porous Materials
本文提出一种基于对称性与梯度增强高斯过程回归及主动学习的新算法，以低成本高效确定多孔材料分子势能面，并在N官能化石墨烯气体筛分等场景中验证了其性能。
2025-01-27 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Modelling hydrogen storage in metal hydrides
本研究构建金属氢化物储氢一维数学模型，通过无量纲化约简方程组并数值求解，引入反应常数空间相关性解释实验中的异常温度梯度，为储氢过程分析提供理论支撑。
2025-07-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Oxidation-resilient structural modifications in Nickel-functionalized 3D-graphene for hydrogen storage applications
Istituto Nanoscienze–CNR（意大利国家研究委员会纳米科学研究所）；NEST-Scuola Normale Superiore（新实验科学与技术学院-高等师范学校）；Department of Physical Science, Earth, and Environment, University of Siena（锡耶纳大学地球与环境物理科学系）；Institute of Sensor and Actuator Systems, TU Wien（维也纳工业大学传感器与致动器系统研究所）；CNR - Istituto Officina dei Materiali (IOM)（意大利国家研究委员会材料工厂研究所）
本研究通过镍纳米颗粒功能化三维石墨烯，结合扫描电镜、X射线光电子能谱等表征手段，探究其对氢吸附与抗氧化性的影响，为提升储氢材料稳定性提供了潜在策略。
2026-08-27 cond-mat.mtrl-sci
The Role of Density Functional Theory Methods in the Prediction of Nanostructured Gas-Adsorbent Materials
随着新的合成和大规模生产技术的出现，纳米结构的气体吸附材料（GAM），如碳纳米复合材料和金属有机框架，在我们的日常生活中变得越来越有影响力。基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理方法在建立GAM的合理设计中起着关键作用，这一因素极大地促进了GAM的发展。然而，DFT方法并不完美，并且由于GAM建模中要求的严格的精度阈值（即，精确的结合能在~ 0.01eV内），这些技术在某些具有挑战性的情况下可能提供错误的结论。有问题的情况包括气体吸附过程，其中电子长程交换和非局域相关性都很重要，以及不能忽视多体能量和库仑屏蔽效应的系统。在这篇重要的评论中，我们分析了最近在评估DFT方法在预测和理解GAM中的性能方面所做的努力。我们的调查限于氢存储和碳捕获和封存领域，为此我们暴露了一些未解决的建模争议，并定义了一套最佳实践模拟原则。此外，我们确定的DFT基准研究中发现的问题，在模型集群系统的推广到真正的材料，并讨论有效的方法来规避它们。在气体吸附现象的模拟DFT方法的优势和不完善的认识不断提高，应导致在中期更精确，因此更富有成效，从头工程的GAM。
2015-03-30 cond-mat.mtrl-sci
New Quantum Spin Hall Insulator in Two-dimensional MoS$_2$ with Periodically Distributed Pores
MoS $_2$是一种过渡金属二硫属化合物（TMDs），由于其优良的半导体特性和潜在的应用前景而引起了人们的广泛关注。基于密度泛函理论方法，我们预测了一种新型的二维量子自旋霍尔绝缘体，它存在于单层的多孔同素异形体MoS $_2$（g-MoS $_2$）中，由MoS $_2$正方形和六边形组成. g-MoS $_2$具有高达109 meV的非平凡能隙，与先前报道的1 T '-MoS $_2$（80 meV）、so-MoS $_2$（25 meV）相当。我们证明了g-MoS $_2$中的二维QSH效应起源于纯d-d带相互作用，而不是传统的s $-$ p，p $-$ p或d $-$ p轨道之间的带反转.这种新的多晶型极大地丰富了TMDs家族，并通过声子谱分析证实了其稳定性。特别是多孔结构也赋予其在高效气体分离和能量储存方面的潜在应用。
2016-02-28 cond-mat.mtrl-sci
Machine learning to explore high-entropy alloys with desired enthalpy for room-temperature hydrogen storage: Prediction of density functional theory and experimental data
本研究采用基于四种核函数的高斯过程回归机器学习模型，利用420个数据点训练并预测TixZr2-xCrMnFeNi系统的氢化物生成焓，为设计室温储氢高熵合金提供快速可靠方法。
2024-05-30 cond-mat.mtrl-sci
Strain induced lithium functionalized graphane as a high capacity hydrogen storage material
采用第一性原理密度泛函理论（DFT）研究了应变对锂掺杂石墨烷（CHLi）稳定性、电子结构和储氢容量的影响.分子动力学（MD）模拟已经证实了当石墨烷片经受10%的拉伸应变时Li在其上的稳定性。在双轴非对称应变下，石墨烯（CH）片层Li的结合能相对于其本体结合能增加了52%。当Li掺杂浓度为25%时，储氢材料的重量密度可达12.12wt%。H2的吸附能被发现是在实际的H2存储应用的范围内。
2012-07-22 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Vanadium-Engineered Co2NiSe4 Nanomaterial: Coupled Thermoelectric, Piezoelectric, and Electronic Optimization via DFT+U for Advanced Energy Applications
本研究通过DFT+U计算证实钒掺杂可协同优化Co₂NiSe₄的电子、热电、压电等多方面性能，使其成为适用于储能、热电发电及多功能传感器的多功能材料平台。
2025-09-05 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Improved charge storage capacity of supercapacitor electrodes by engineering surfaces: the case of Janus MXenes
本研究通过密度泛函理论结合溶剂化模型，探究三种氧钝化Janus MXenes作为酸性超级电容器电极的性能，发现其表面氧化还原活性增强、电荷存储能力显著提升，为高功率密度储能器件提供了新途径。
2023-10-10 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Classification of FIB/SEM-tomography images for highly porous multiphase materials using random forest classifiers
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie（亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心）；Ulm University（乌尔姆大学）；Karlsruhe Institute of Technology（卡尔斯鲁厄理工学院）；Technische Universität Berlin（柏林工业大学）
FIB/SEM断层扫描是电池研究和许多其他领域中表征三维纳米结构的不可或缺的工具。然而，在许多情况下会出现对比度和3D分类/重建问题，这严重限制了该技术的适用性，特别是在多孔材料上，如用于电池或燃料电池中的电极材料的那些。区分不同的组分，如活性Li存储颗粒和碳/粘合剂材料是困难的，并且经常妨碍图像数据的可靠定量分析，或者甚至可能导致关于结构-性质关系的错误结论。在这方面的贡献，我们提出了一种新的方法，通过FIB/SEM断层扫描获得的三维图像数据的数据分类及其应用NMC电池电极材料。我们使用两种不同的图像信号，即成角度的SE 2腔室探测器的信号和Inlens探测器信号，将两种信号组合并训练随机森林，即特定的机器学习算法。我们证明，这种方法可以克服现有技术的局限性，适用于多相测量，它允许定量数据重建，即使在当前最先进的技术失败，或需要大的训练集。这种方法可能会产生作为未来的研究使用FIB/SEM断层扫描的指导方针。
2022-07-28 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Interaction Topological Transformer for Multiscale Learning in Porous Materials
Department of Mathematics, Michigan State University（数学系，密歇根州立大学）；Physical Sciences Division, Pacific Northwest National Laboratory（物理科学部，太平洋西北国家实验室）；Department of Electrical and Computer Engineering, Michigan State University（电气与计算机工程系，密歇根州立大学）；Department of Biochemistry and Molecular Biology, Michigan State University（生物化学与分子生物学系，密歇根州立大学）
本文提出交互拓扑Transformer（ITT），通过交互拓扑捕获多孔材料多尺度信息，结合自监督预训练与监督微调，在吸附、输运和稳定性预测上取得最先进且可迁移的性能。
2025-09-23 cond-mat.mtrl-sci cs.AI cs.LG
Transformation Journey of Zr-based MOFs: Study on Mechanics and Hydrogen Storage under Doping Regulation
School of Mechanical Engineering and Mechanics, Xiangtan University（湘潭大学机械工程学院）
本研究通过掺杂调控Zr基MOFs的力学性能和氢存储能力，揭示金属离子替代对其稳定性与吸附性能的影响，为高性能MOF材料设计提供理论支持。
2026-01-06 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
First-Principles Investigation of X2NiH6 (X = Ca, Sr, Ba) Hydrides for Hydrogen Storage Applications
通过原理计算研究X2NiH6氢化物的热力学和机械性能，发现Ca2NiH6具有最佳的氢储存性能和稳定性。
2026-02-10 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Big-Data Science in Porous Materials: Materials Genomics and Machine Learning
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）
通过将金属节点与有机连接体相结合，我们可以潜在地合成数百万种可能的金属有机框架（MOFs）。目前，我们拥有超过一万种合成材料和数百万种计算机预测材料的库。事实上，我们有这么多的材料打开了许多令人兴奋的途径，以定制一种最适合特定应用的材料。然而，从实验和计算的角度来看，我们只是有太多的材料使用蛮力技术筛选。在这篇综述中，我们展示了拥有如此多的材料使我们能够使用大数据方法作为一种强大的技术来研究这些材料并发现复杂的相关性。本文的第一部分介绍了大数据科学的原理。我们强调了数据收集的重要性，增加小数据集的方法，如何选择合适的训练集。这篇评论的一个重要组成部分是用于在特征空间中表示这些材料的不同方法。该评论还包括对不同ML技术的概述，但由于多孔材料中的大多数应用都使用监督ML，因此我们的评论重点关注监督ML的不同方法。特别是，我们回顾了优化ML过程的不同方法以及如何量化不同方法的性能。在第二部分中，我们回顾了ML的不同方法如何应用于多孔材料。特别是，我们讨论了在气体储存和分离领域的应用，这些材料的稳定性，它们的电子特性，以及它们的合成。主题的范围说明了可以用大数据科学研究的各种各样的主题。鉴于科学界对ML的兴趣越来越大，我们预计这一名单将在未来几年迅速扩大。
2020-06-08 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Cryogenic stabilization of molecular hydrogen in dense cubic ice
École Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）；École Polytechnique（巴黎综合理工学院）；The University of Tokyo（东京大学）；European Synchrotron Radiation Facility（欧洲同步辐射装置）；Institut Laue-Langevin（朗之万研究所）；CSIC – Universidad de Zaragoza（西班牙高等科学研究理事会–萨拉戈萨大学）；Sorbonne Université（索邦大学）；Sapienza Università di Roma（罗马智慧大学）
研究发现致密立方冰可在低温下稳定分子氢，通过X射线衍射等技术证实氢在冰结构中可保留至130K，并展示其作为氢储存材料的潜力。
2026-04-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Wafer-Scale Fabrication of Hierarchically Porous Silicon and Silica Glass by Active Nanoparticle-Assisted Chemical Etching and Pseudomorphic Thermal Oxidation
许多生物材料表现出多尺度多孔性，具有小的、主要是纳米级的孔以及大的、宏观的毛细管，以同时实现优化的质量传输能力和具有大的内表面的轻质结构。在人造材料中实现这样的分层孔隙率通常需要复杂且昂贵的自上而下的处理，这限制了可扩展性。在这里，我们提出了一种方法，该方法结合了基于金属辅助化学蚀刻（MACE）的自组织孔隙率和电子衍射诱导的大孔隙率，用于合成具有双峰孔径分布的单晶硅，即，具有1微米直径的六边形排列的圆柱形大孔，其由被60 nm宽的中孔穿过的壁隔开。MACE过程主要由金属催化的还原-氧化反应引导，其中银纳米颗粒（AgNPs）充当催化剂。在这个过程中，AgNP充当自推进粒子，不断沿着其轨迹去除硅。高分辨率X射线成像和电子断层扫描揭示了由此产生的大开口孔隙率和内表面，用于高性能能量存储、收集和转换或片上传感器和执行器的潜在应用。最后，分层多孔硅膜可以通过热氧化转化为分层多孔无定形二氧化硅，这种材料由于其多尺度人工血管化而对光流体和（生物）光子应用特别感兴趣。
2022-12-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
