钾基氢化物钙钛矿KXH3（X = S, Se）的结构与储氢性能研究：从理论计算到应用潜力

本研究针对氢能存储中金属氢化物材料的关键瓶颈，通过第一性原理计算系统分析了KSH3和KSeH3钙钛矿的结构稳定性（AIMD模拟）、电子特性（DOS）、机械性能（弹性常数）及储氢容量（4.08% vs 2.50%），发现KSH3兼具高储氢密度与光吸收能力，为开发新型固态储氢材料提供了理论依据。

　　

随着全球能源转型加速，氢能因其零碳排放特性成为最具潜力的清洁能源载体。然而氢气的低密度存储仍是制约其大规模应用的核心难题，当前高压气态和低温液态储氢方式存在安全风险与能耗过高的问题。金属氢化物虽能实现固态储氢，但普遍面临如镁基材料（MgH₂）脱附温度高、循环稳定性差等挑战。钙钛矿结构材料因其可调控的晶格间隙和可逆氢吸附特性，被视为突破现有技术瓶颈的新方向。

北京工业大学的研究团队通过第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，系统研究了钾基氢化物钙钛矿KXH₃（X = S, Se）的物理化学性质。研究发现：KSH₃和KSeH₃均呈现立方钙钛矿结构，晶格常数分别为3.88 ?和4.14 ?；300K下的从头算分子动力学（AIMD）模拟证实二者具有优异的热稳定性；电子态密度（DOS）分析显示二者均为金属性材料，且在费米能级附近存在显著电子态分布；机械性能计算表明材料兼具各向异性与抗变形能力，能满足储氢循环的机械强度需求。特别值得注意的是，KSH₃展现出4.08 wt%的储氢容量和优异的光吸收特性，显著优于KSeH₃（2.50 wt%）。该成果发表于《Inorganic Chemistry Communications》，为设计高性能储氢材料提供了新思路。

关键技术方法包括：采用CASTEP软件包进行几何优化与性质计算；基于广义梯度近似（GGA）的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函处理电子交换关联能；通过弹性常数矩阵判定机械稳定性；利用AIMD模拟评估300K下的热力学稳定性；采用Kohn-Sham方程求解电子结构。

【结构分析】
晶体结构显示KXH₃属于立方晶系（空间群Pm-3m），钾原子占据立方体顶点，硫/硒原子位于体心位置，氢原子分布在面心。硒原子较大的离子半径导致KSeH₃晶格膨胀。

【电子与光学性质】
能带结构与DOS分析证实材料的金属特性，费米能级附近的强电子态源于K-3p与H-1s轨道杂化。KSH₃在紫外-可见光区具有更强的光吸收峰，预示其在光催化储氢中的应用潜力。

【机械性能】
弹性常数计算满足立方晶系的力学稳定性判据。较高的体模量（KSH₃: 32.4 GPa）表明材料抗压缩性强，而泊松比（>0.25）和Pugh比值（B/G>1.75）证实其延展性特征。

【储氢性能】
基于晶体空隙与氢扩散势垒分析，KSH₃的储氢容量达4.08 wt%，超过美国能源部（DOE）车载储氢系统2025年目标（4.5 wt%）的90%，且脱附焓计算显示其可在温和条件下释放氢气。

该研究首次从理论上证实钾基氢化物钙钛矿的储氢可行性，其中KSH₃因更高的储氢密度和光响应特性成为优选材料。其意义在于：（1）拓展了钙钛矿材料在能源领域的应用边界；（2）为开发"光-氢"协同转换材料提供新范式；（3）通过元素替代策略（S/Se）建立了成分-性能调控模型。后续研究可聚焦于实验合成验证与纳米结构优化，以进一步提升实际储氢效率。