XNiH3（X = Li, Na, K）钙钛矿氢化物的多功能特性研究：热电转换与氢存储的双重潜力

本研究通过第一性原理DFT和BoltzTraP方法，首次系统探究了未合成的XNiH3（X = Li, Na, K）钙钛矿氢化物的多功能特性。研究发现这些材料具有4.37%-2.98%的氢存储容量和最高0.09的ZT值，为开发兼具热电转换与氢存储功能的集成能源材料提供了理论依据。

　　

在全球能源转型背景下，氢能因其清洁高效特性成为替代化石燃料的重要选择。然而氢气的低密度特性导致存储和运输成为关键瓶颈——当前压缩或液化方法存在安全风险大、能耗高等问题。与此同时，工业废热回收领域对高效热电转换材料的需求日益迫切。这两大能源难题的协同解决需要开发新型多功能材料，而具有独特晶体结构的钙钛矿氢化物为此提供了可能。

摩洛哥Sultan Moulay Slimane大学的Ayoub Koufi团队在《Next Energy》发表的研究，首次通过计算模拟系统探索了XNiH₃（X = Li, Na, K）这类尚未实验合成的钙钛矿氢化物的双重功能特性。研究采用密度泛函理论（DFT）框架下的广义梯度近似（GGA），结合WIEN2k代码进行结构优化，利用BoltzTraP软件包计算300-900K温度区间的热电参数，同时评估了材料的氢存储性能。

【结构特性】

通过Birch-Murnaghan状态方程优化获得立方相（Pm-3m空间群）晶体结构，晶格参数从Li到K依次增大（3.2522?→3.6505?）。体积-能量曲线分析显示LiNiH₃具有最高体模量（88.2455 GPa），表明其结构稳定性最佳。特别值得注意的是，计算得到的氢存储容量呈现规律性变化：LiNiH₃（4.37%）> NaNiH₃（3.54%）> KNiH₃（2.98%），这种趋势与碱金属原子序数增加导致的晶格膨胀和Ni-H键长延长（6.1457→6.8984 Bohr）直接相关。

【电子特性】

能带结构和态密度（DOS）分析揭示了所有化合物的金属特性，费米能级处存在显著的Ni-3d和H-1s轨道杂化。这种独特的电子结构既有利于氢解吸动力学（通过促进H原子重组为H₂分子），又为热电应用提供了高载流子迁移率。投影态密度（PDOS）显示价带主要由氢和碱金属的s轨道贡献，而导带则主要源于Ni的d电子态。

【热电性能】

在300-900K温度范围内，所有化合物均表现出n型传导特性（Seebeck系数为负值）。其中LiNiH₃在800K时达到最高ZT值0.09，优于已知的NaInBr₃（0.05）等钙钛矿材料。热电参数呈现显著的元素依赖性：KNiH₃具有最高的Seebeck系数（-4.7×10^-4 V/K），而LiNiH₃则展现出最优的功率因子（16.4×10¹⁰ W/K²·m·s）。电子热导率随温度线性增加的趋势，反映了声子散射机制的增强。

这项研究的创新性在于首次揭示了XNiH₃体系在集成能源系统中的双重应用潜力。材料表现出的4.37%氢存储容量满足了美国能源部车载存储标准（>3.5%），同时0.09的ZT值使其在中等温度废热回收领域具有竞争力。特别值得关注的是，金属特性带来的高电导率既促进了热电转换效率，又加速了氢的吸放循环，这种协同效应为设计"热电-储氢"一体化器件提供了新思路。虽然目前这些材料尚未实验合成，但理论预测为后续材料开发指明了方向，特别是在碱金属元素选择（Li最优）和操作温度窗口（800K附近）等方面提供了重要参考。未来研究需要进一步考察这些材料的实际合成路径和循环稳定性，以推动其从理论计算向实际应用的转化。