研究基于钛的氢化物双钙钛矿Li?TiXH?（其中X=Fe和Co）在氢储存应用中的潜力

《Materials Today Chemistry》：Investigating Ti-based hydrides double perovskites Li 2TiXH 6 (X= Fe and Co) for hydrogen storage applications

质量储氢容量与光电子特性研究：Li2TiFeH6和Li2TiCoH6的密度泛函理论分析

　　近年来，随着全球能源需求的不断增长以及对可持续未来的追求，氢能源作为一种清洁能源受到了广泛关注。尽管化石燃料仍然是目前全球能源供应的主要来源，但其储量的迅速枯竭和日益增加的能源消耗促使人们迫切寻求清洁、高效且可再生的替代能源。氢作为一种理想的能源载体，具备替代化石燃料的潜力，但其在实际应用中的推广仍面临诸多挑战。其中，氢储存系统的不完善是限制其广泛应用的关键问题之一，因此，研究高效、安全的氢储存技术成为当前科研的重点。

在众多氢储存材料中，卤化双钙钛矿因其独特的结构和性能吸引了研究人员的关注。卤化双钙钛矿是一种具有复杂晶体结构的化合物，通常由A?BB’X?组成，其中A、B、B’和X代表不同的化学元素。这类材料的结构特点在于其具有稳定的晶格网络，能够有效地储存氢原子或增强其在材料表面的吸附能力。与传统的氢储存方法相比，如低温液态储存和高压气体储存，卤化双钙钛矿材料提供了更便捷、可靠、高效和安全的储存方案。

在本研究中，我们使用基于密度泛函理论（DFT）的计算方法，对卤化双钙钛矿Li?TiXH?（X = Fe 和 Co）的结构、光电子特性、氢储存能力以及机械性能进行了系统分析。通过计算这些材料的形成焓，我们发现Li?TiFeH?和Li?TiCoH?的形成焓分别为-0.221和-0.224，表明这两种材料在热力学上具有较高的稳定性。这种稳定性对于氢储存材料而言至关重要，因为只有稳定的材料才能在实际应用中保持氢分子的存储能力，避免因结构不稳定而导致的氢泄漏或材料分解。

此外，我们对Li?TiXH?（X = Fe 和 Co）的电子能带结构进行了研究，发现这些材料在电子能带结构中没有明显的能量带隙，这表明它们具有金属特性。金属材料通常具有较高的导电性，这在光电子器件的应用中是一个重要的优势。我们的研究还表明，Li?TiFeH?和Li?TiCoH?在红外区域对入射光子的吸收能力较强，而在近紫外区域也有显著的吸收表现。这一特性使得这些材料在光电子设备的设计中具有广阔的应用前景，尤其是在需要同时处理红外和紫外光的领域。

在机械性能方面，我们计算了Li?TiXH?（X = Fe 和 Co）的弹性常数，并发现这些常数满足Born稳定性准则，表明材料在机械上具有稳定性。这一特性对于氢储存材料来说非常重要，因为只有机械稳定的材料才能在实际操作中承受各种外力，确保氢分子的安全储存。我们还计算了Pugh比（B/G），发现Li?TiFeH?和Li?TiCoH?的Pugh比分别为0.83和0.88，这表明它们具有脆性特征。脆性材料通常在受到外力时容易发生断裂，因此，这种特性可能影响其在某些应用场景中的适用性。

为了进一步理解这些材料的性质，我们对它们的晶格参数和对称性进行了研究。Li?TiXH?（X = Fe 和 Co）的晶格参数分别为7.33 ?和7.59 ?，表明其具有立方晶体结构。这种结构对于氢储存材料来说是一个重要的优势，因为它能够提供稳定的晶格网络，从而提高氢分子的储存效率。我们还计算了这些材料的体积，发现Li?TiFeH?的体积为393.83 ?3，而Li?TiCoH?的体积为437.24 ?3，这表明它们在体积上有所差异，可能影响其氢储存能力。

在光电子特性方面，我们研究了这些材料的介电函数，发现它们在红外区域对入射光子的吸收能力较强，而在近紫外区域也有一定的吸收能力。这一特性使得这些材料在光电子设备的设计中具有重要价值，尤其是在需要处理宽光谱范围的设备中。我们还计算了这些材料的Cauchy压力，发现其具有共价键特性，这表明它们在结构上具有较强的稳定性，能够有效储存氢分子。

通过本研究，我们发现Li?TiFeH?和Li?TiCoH?的氢储存能力分别为4.89 wt%和4.77 wt%，这表明它们在氢储存能力上优于目前大多数研究的材料。例如，之前的研究表明，Cs?AlGaH?和Cs?NaGaH?的氢储存能力分别为1.62 wt%和1.64 wt%，而X?FeH?（X = Ca 和 Sr）以及KNaM?H?（M = Mg/Ca/Be）等材料的氢储存能力也相对较低。相比之下，Li?TiFeH?和Li?TiCoH?的氢储存能力更接近美国能源部（U.S. DOE）设定的5.5 wt%目标，这表明它们在实际应用中具有更大的潜力。

此外，我们对这些材料的磁性进行了研究，发现它们在磁性方面具有一定的特性，这可能影响其在某些应用场景中的适用性。虽然这些材料在磁性方面的表现可能不如其他类型的磁性材料，但它们的综合性能仍然使其在氢储存领域具有重要价值。

总的来说，Li?TiFeH?和Li?TiCoH?作为一种新型的卤化双钙钛矿材料，展现了在结构、光电子特性、氢储存能力以及机械性能方面的优异表现。它们的热力学稳定性、金属特性、红外和紫外区域的光子吸收能力，以及机械稳定性，使得这些材料在氢储存技术中具有广阔的前景。通过本研究，我们为未来开发高效、安全的氢储存材料提供了重要的理论依据，同时也为解决全球能源危机提供了新的思路和方向。