AYH?（A = K, Rb）化合物的结构、力学、电子、光学、重量和热力学性质：一项密度泛函理论（DFT）研究

《Next Materials》：Structural, mechanical, electronic, optical, gravimetric, and thermodynamic properties of AYH 3 (A = K, Rb) compounds: A DFT study

氢存储材料KYH3和RbYH3的密度泛函理论研究表明，KYH3具有更高的比容量（2.31 wt%）和更优的热力学稳定性，其解吸温度为338 K，电子结构显示金属特性，机械性能表现为脆性但结构稳定。

　　### 铷基钙钛矿氢化物在固态储氢中的潜力研究

在当今能源转型的背景下，固态储氢材料的研究显得尤为重要。随着全球对清洁能源需求的不断增长，氢能源因其高能量密度和零碳排放特性，被视为未来可持续能源体系中的关键组成部分。然而，氢在常温常压下具有较低的体积密度，这使得其储存和运输面临巨大挑战。因此，开发高效、稳定的固态储氢材料成为研究热点之一。本研究聚焦于基于钇的钙钛矿氢化物 AYH?（A = K, Rb），采用密度泛函理论（DFT）进行综合分析，评估其在固态储氢中的潜力。

#### 结构稳定性

通过计算和模拟，我们发现 KYH? 和 RbYH? 均具有立方结构，并表现出良好的热力学稳定性。这两种化合物的形成能分别为 -0.458 eV/atom 和 -0.437 eV/atom，均为负值，表明其在热力学上是稳定的。立方结构的形成与材料的几何参数密切相关，尤其是 Goldschmidt 容差因子。该因子衡量了阳离子与阴离子的离子半径比例，对于预测钙钛矿结构的稳定性至关重要。KYH? 的容差因子为 0.94，而 RbYH? 为 1，均接近理想立方钙钛矿结构的阈值，表明它们在结构上具有良好的兼容性。

#### 电子结构

电子结构分析表明，KYH? 和 RbYH? 均表现出金属特性。通过 GGA-PBE 和 HSE06 两种泛函的计算，我们观察到它们的能带结构和态密度均显示出无能隙的特征，这意味着它们具有良好的导电性。这种金属行为对于储氢应用至关重要，因为它可以促进电荷载体的移动，提高材料的导电性能。此外，电子态密度分析显示，多个轨道参与了电子结构的形成，其中价带主要由 s 和 p 轨道构成，而导带则由 d 轨道主导，这与过渡金属氢化物的特性一致。这些结果表明，KYH? 和 RbYH? 在电子结构上具有良好的适应性，能够支持高效的氢吸附与脱附过程。

#### 机械性能

机械性能评估揭示了 KYH? 和 RbYH? 的脆性特征。通过计算弹性模量和 Pugh 比，我们发现它们的弹性模量均低于 1.75，表明其在机械性能上较为脆弱。Pugh 比值为 1.52 和 1.55，均低于 1.75，进一步支持了它们的脆性特征。此外，通过分析杨氏模量、剪切模量和体积模量，我们发现 KYH? 在弹性性能上略优于 RbYH?。这些材料在结构上表现出较高的弹性模量，但其脆性特性限制了其在实际应用中的机械耐用性。因此，它们的机械性能需要进一步优化，以满足储氢过程中反复充放氢的需求。

#### 光学特性

光学特性对于储氢材料的应用同样重要。通过计算介电函数、吸收系数、反射率、折射率和消光系数，我们发现 KYH? 和 RbYH? 在可见光和紫外光范围内表现出显著的光吸收能力。这表明它们在光催化和光电子器件中具有潜在的应用价值。此外，KYH? 的折射率和消光系数均高于 RbYH?，显示出更强的光-物质相互作用能力。这种特性对于提高氢吸附效率和优化储氢过程中的表面相互作用具有重要意义。

#### 热力学特性

热力学分析进一步验证了 KYH? 和 RbYH? 的稳定性。通过准谐近似（QHA）方法，我们评估了它们在不同温度下的热力学行为。计算结果显示，这两种材料在 0 K 到 1000 K 的温度范围内均表现出良好的热稳定性，其零点能（ZPE）值较低，表明量子涨落较小，有利于氢的稳定结合。此外，它们的体积热容（C?）在高温下趋于稳定，符合杜隆-佩蒂定律，这表明其具有良好的热管理能力。

#### 氢存储性能

在氢存储性能方面，KYH? 表现出更高的重量比容量，达到 2.31 wt%，而 RbYH? 为 1.70 wt%。这种差异主要源于 A 位阳离子的原子质量不同。KYH? 的 A 位阳离子为钾离子（K?），其原子质量较小，因此能够实现更高的氢存储密度。相比之下，RbYH? 的 A 位阳离子为铷离子（Rb?），其较大的原子质量导致氢的重量比例降低。此外，两种材料的脱附温度分别为 338 K 和 323 K，均低于其他钙钛矿氢化物，如 NaCaH?（1356 K）、CsCaH?（1752 K）和 LiVH?（1904 K），这表明它们在实际操作温度下具有更好的氢释放性能。

#### 综合评估

综合来看，KYH? 在多个方面均优于 RbYH?。其较高的氢存储容量和较低的脱附温度使其在实际应用中更具优势。此外，KYH? 的弹性模量和体积模量较高，表明其在机械性能上更为坚固。然而，其脆性特征仍需进一步优化，以确保其在储氢过程中的长期稳定性。光学特性上的优异表现则为其在光催化和光电子应用中提供了新的可能性。

#### 结论

本研究通过 DFT 模拟，系统评估了 KYH? 和 RbYH? 在结构、电子、机械、光学、氢存储和热力学方面的性能。结果显示，KYH? 在氢存储性能上表现更为优异，具有较高的重量比容量和较低的脱附温度，这使其成为固态储氢系统的更有前景的候选材料。然而，其脆性特征和机械性能仍需进一步优化，以提高其在实际应用中的耐用性。本研究为未来实验合成和验证这些材料提供了理论基础和设计指导，有望推动氢能源技术的发展。