Na基氢化物X3NaH4(X=K,Rb)的结构与储氢性能第一性原理研究：迈向清洁能源存储新突破

为开发高效固态储氢材料，研究人员通过第一性原理密度泛函理论(DFT)系统研究了X3NaH4(X=K,Rb)的结构稳定性、力学性能及电子特性。研究发现这两种氢化物具有负形成能(热力学稳定)、2.79wt%/1.42wt%的储氢密度，以及5.05eV/4.40eV(mBJ)的直接带隙，兼具储氢与光电应用潜力，为清洁能源材料设计提供新思路。

　　

随着化石能源危机加剧，全球变暖和空气污染问题日益严峻，发展氢能等清洁能源成为当务之急。然而氢能应用面临存储技术瓶颈——传统高压气态/低温液态存储存在安全隐患和能耗问题，而固态储氢材料又普遍存在容量低、稳定性差等缺陷。在这一背景下，印度Sikkim Manipal理工学院电子与通信工程系的S.K. Yadav团队通过第一性原理计算，首次系统研究了Na基复合氢化物K₃NaH₄和Rb₃NaH₄的储氢性能，相关成果发表在《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究采用WIEN2k软件包进行密度泛函理论(DFT)计算，结合FP-LAPW(全势线性缀加平面波)方法，先后使用PBE-GGA(广义梯度近似)和mBJ(修正Becke-Johnson)泛函优化结构并计算电子性质。通过弹性常数分析评估力学稳定性，利用光学参数计算预测光电性能，最终通过形成能和氢密度评估储氢潜力。

【结构特性】
立方相Pm-3m(221号空间群)的晶体结构分析显示，H原子占据1a(0,0,0)和3c(1/2,1/2,0)位置形成稳定框架。K₃NaH₄晶格参数5.23?，Rb₃NaH₄为5.52?，负的形成能(-2.31eV/-2.15eV)证实热力学稳定性。

【力学性能】
弹性常数满足Born-Huang判据，K₃NaH₄体模量18.7GPa，剪切模量11.2GPa；Rb₃NaH₄分别为16.3GPa和9.8GPa。泊松比0.25/0.26和Pugh比值1.67/1.66表明材料呈脆性，各向异性指数0.68/0.71显示明显各向异性。

【电子与光学特性】
GGA计算显示直接带隙为2.23eV(K₃NaH₄)和1.54eV(Rb₃NaH₄)，mBJ修正后显著增至5.05eV和4.40eV。介电函数显示强紫外区(3-6eV)光吸收，折射率n(0)达2.41/2.38，预示光电应用潜力。

【储氢性能】
K₃NaH₄质量储氢密度2.79wt%(体积密度39.59gH₂/L)，Rb₃NaH₄为1.42wt%(33.57gH₂/L)，优于多数报道的复合氢化物。 AIMD(从头算分子动力学)模拟证实300K下结构稳定性。

该研究首次从理论上证实X₃NaH₄体系兼具力学稳定性、适宜带隙和可观储氢容量的特点。其独特的紫外光学响应特性，更拓展了在光解水制氢领域的应用前景。虽然实际合成与循环性能仍需验证，但这项工作为设计"储氢-光电"双功能材料提供了重要理论依据，对推动氢能产业链发展具有指导意义。