1、研究背景。
随着传统化石燃料资源走向枯竭，环境污染问题日益严重和全球可持续发展战略的推行，新型替代型可再生清洁能源的开发与应用已是大势所趋。氢能以其资源丰富、零污染、可再生、热效率高等优点成为未来能源结构中最具发展潜力的能源载体，被誉为21世纪的绿色能源。当前，世界上许多国家都纷纷加紧实施氢能源发展战略，积极迎接“氢经济”时代的到来。
氢能利用需要解决氢的制取，储运和应用三个问题。其中，储氢技术是开发应用的关键环节之一，也是目前制约氢能使用的核心问题。
氢的储运技术要求能量密度大、能耗少、安全性高，其中衡量储氢性能的标准主要包括质量储氢密度和体积储氢密度。质量储氢密度为系统储存氢气的质量与系统质量的比值，体积储氢密度为系统单位体积储存氢气的质量。例如，对于车用氢气储存系统，国际能源署提出的目标是质量储氢密度大于5%、体积储氢密度大于50kg每立方米，并且放氢温度低于423k，循环寿命超过1000次；而美国能源部提出的要求是质量储氢密度不低于6.
5%，体积储氢密度不低于62kg每立方米，车用储氢系统的实际储氢能力大于3.1kg（相当于汽车行驶500km所需的燃料）。
氢在通常条件下以气态条件存在，且易燃易爆已扩散，使得人们在实际应用中要重点考虑氢储存和运输中的安全、高效和无泄漏损失，这就给储存和运输带来很大的困难。因此新型储氢技术和储氢材料的研究是目前已达热门课题。迄今储氢材料的研究主要有四类：
高压气态储氢材料、低温液化储氢材料、金属氰化物储氢材料和吸附储氢材料。
高压和液化储氢作为两种传统的存储方式以开展了较多的研究。高压储氢的方式的最大优点是操作方便、能耗小，但该法储氢能量密度低且气态氢在储运过程中存在严重的安全隐患，无法满足许多实际实际应用需要。若仅从质量和体积上考虑，液化储氢是一种极为理想的方法，但是耗能大，能达到液化氢的30%，需要高度绝热的超低温用储氢罐，因而其存储成本高，安全技术复杂，目前只限于在航空航天技术领域应用。
把氢以金属氢化物的形式存在合金中，是近30年来的新技术。金属氰化物储氢体积密度高，储氢压力不高，较为安全且纯度高。然而到目前为止，在室温下容易释放氢的金属氢化物，其可逆吸氢量不超过2%，无法满足实际需求。
其主要问题是难以同时获得高储氢量和优良的储放氢动力学性能。
吸附储氢是近年来出现的新型储氢方法。由于其具有安全可靠、储存容器重量轻、形状选择余地大和储存效率高等特点而成为新的研究热点。吸附储氢方式分为物理吸附和化学吸附两大类，其所使用的材料大致可分为四类：
碳基储氢材料、非碳质纳米管类材料、矿物多空材料和金属有机骨架储氢材料。在吸附储氢材料中，碳基材料由于对少量的气体杂质不敏感，且课反复使用，因而是一种非常好的储氢材料。碳基储氢材料主要包括超级活性炭和纳米结构碳材料，而在2024年被科学家发现的新型纳米结构碳材料---石墨烯，由于具有一系列奇特的物理化学特性，且制备简单，被认为是一种潜在的新型碳质储氢材料。
2、石墨烯的结构与基本性质。
石墨烯是单原子厚度的碳原子层，近年来才被发现的二维碳原子晶体。它被认为是富勒烯、碳纳米管、石墨的基本结构单元。
碳的各种结构如图1-1所示，从左到右依次为三维结构金刚石、石墨、二维结构石墨烯、一维结构碳纳米管和零维结构富勒烯，石墨可看成是有石墨烯层间堆叠而成，碳纳米管可看成是石墨烯按一定的方向卷成了圆筒状。石墨烯因其力学、量子和电学性质特殊，颇受物理和材料界重视。自由态的二维晶体结构一直被认为热力学不稳定，不能再普通环境中独立存在，但是单层石墨烯在试验中被制备出来。
这些可能归结于石墨烯在在纳米级别上的围观扭曲。并且其电学性质优异，拉伸模量和极限强度与单壁碳纳米管相当，质量轻导热性好、比表面积大。
3、石墨烯储氢性能研究。
由于石墨烯大规模合成方法有了较大突破，因而储氢材料的研究也开始起步。石墨烯具有很高的比表面积（理论值达3060平方米每克），化学稳定性好，因而很早就有人对其储氢性能进行了计算机理论模拟**。2024年，采用dft方法计算得到氢气吸附于石墨烯六元环中心线上时能量最低。
2024年，等采用dft计算指出石墨烯中掺li可使氢的吸附能从80~90mev/h2增加到到160~180mev/h2。2024年，采用从头算方法在考虑化学吸附的情况下的到石墨烯的储氢量为7.7wt%。
等采用第一性原理平面波法计算得到掺入ca后，石墨烯的储氢量可达8.4wt%。通过氧化石墨法制得石墨烯，测得其在77k，1atm下储氢量为1.
7wt%，在298k，100atm时储氢量为3wt%。chen等测得石墨烯在77k，100kpa下的储氢量仅为0.4wt%，在室温，6mpa下不到0.
2wt%，这可能与他们所用的样品比表面小（156平方米每克）有关。总之，石墨烯储氢性能好坏与样品比表面大小和活性掺杂物物有关，制备出高比表面的石墨烯样品是提高储氢量的关键。总之，石墨烯**低廉，原料易得，与昂贵的富勒烯和碳纳米管相比，石墨烯做新型储氢材料有其自身的优势。
4、石墨炔储氢的出现。
在金属掺杂石墨烯储氢中存在一个严重的问题，就是金属原子容易被氧化而阻碍材料对氢气的吸附。因此可以利用第一性原理来研究碱金属和碱土金属掺杂石墨炔的基质材料对氧气的吸附能力，作为比较，我们也计算了在同等情况下石墨烯上的吸附能力。我们可以发现碱金属与石墨炔的杂化物中氧气的结合能远远小于与石墨烯的混合物，尤其是锂掺杂石墨炔。
石墨炔是一种二维的碳基质材料，它是将石墨烯中的一部分碳碳单换成了碳碳三键。根据换键的比例不同可以形成不同种类型的石墨炔，所有的键都被替换就是a型石墨炔，三分之二被替换就是b型石墨炔，三分之一被替换就是r型和6,6,12型石墨炔。石墨炔和锂或钙掺杂的石墨炔应经被证实有着高储氢的能力，且都超过了10wt%。
这一结果证明它有着比石墨烯更好的储氢能力。但在实验上二维的石墨炔还未形成，最新研究表明纳米尺度的石墨炔薄膜正在生长，这意味着二维石墨炔生成的可能性。而在金属掺杂石墨炔中氧气是降低其储氢能力的毒害源头。
氧分子很可能结合金属原子而影响对氢分子的吸附。而且被氧化的混合物几乎是不可逆的。可以通过密度泛函理论，第一性原理来研究碱金属或碱土金属掺杂石墨炔的混合物对氧气的吸附能力，并与同等条件下的石墨烯相比较。
通过cad画图找出石墨炔最小单元的坐标，在ms上输入坐标，建立模型。
5、计算方法。
通过dmol3分别用gga和lda还有hse06计算出金属原子与石墨炔的结合能，通过掺杂数量的不同，一一计算出各种金属掺杂时的结合能，并与文献中数据进行比对，以此来验证建立的模型正确与否。
并计算过渡金属的结合能。
金属原子的结合能。
lda：假定非均匀电子系统的电荷密度是缓慢变化的，因此可以将整个系统分成许多足够小的体积元，近似地认为在每个这样的小体积元中电荷密度是一个常数中，即在该小体积元，分布的是均匀的无相互作用的电子气体，而对于整个非均匀电子系统而言，各个小体积元的电荷密度则只是依赖于这个小体积元在空间所处的位置。
适用于电子密度变化比较缓慢的体系，对分子体系不适用。
gga: 在广义梯度近似下（generalized gradient approximation, gga），交换关联能不只是电子密度的泛函，也是其密度梯度的泛函。 适用于电子密度变化较快的体系，比如团簇，分子体系。
hse06：hartree-fock方法可以给出精确的交换能，而这正是密度泛函方法所缺少的。
人们引进了杂化密度泛函方法，把交换能表示为hartree-fock方法和密度泛函方法的交换能的线性组合，这样构造的交换相关能量泛函通常要比密度泛函方法的交换相关能量泛函更加准确。现在较为著名的杂化泛函为b3lyp泛函，它因为包含在著名的量子化学软件gaussian中而在分子体系中获得了较为广泛的应用。 vasp5.
2 包含了这样的泛函。
6、结果。b型石墨炔晶格常数7.075，掺杂原子坐标（3.5375,2.0424）。
建立2*2晶胞，计算得石墨炔能量为1828.5105ha，锂、钠、钾单原子的能量分别为7.4684ha、162.
4835ha、614.0673ha。以锂为代表，在石墨炔上加不同数量的锂原子来验证原子掺杂石墨炔的数量的模型，与文献上比对。
加一个锂原子的石墨炔能量为1836.0771ha、2个为1844.9829ha、3个为1852.
5426ha、4个为1860.1014ha、7个为1890.2737ha。
钠和钾掺杂石墨炔的能量分别为1990.8084ha、2428.3761ha，经过计算核实比对，掺杂一个石墨炔与结果相近，误差为0.
004ev.
因此验证得模型应为。
掺杂过渡金属铁，得结合能为478.0156ev，有待考证。
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