TiFe及其氢化物(TiFeHx, x=1,2,4)的电子结构、力学特性与储氢性能的第一性原理研究

《Journal of Molecular Liquids》：First-principles study on the electronic, mechanical, vibrational, thermodynamic, and optical properties of TiFe and its Hydrides (TiFeH x, x?=?1, 2, 4)

本综述采用第一性原理计算（DFT），系统研究了TiFe及其氢化物的结构稳定性、力学性能、电子特性、热力学行为及光学响应。研究表明氢化反应诱导晶格膨胀并降低对称性，但保持力学与动力学稳定性；所有氢化物均具热力学有利性和延展性，其中TiFeH4的储氢容量达3.74 wt%，脱附温度约557 K（10 bar H2），在固态储氢与热调控应用中具有潜力。

　　

Calculation details / 计算细节

采用基于密度泛函理论（DFT）的计算方法，通过Quantum ESPRESSO软件包系统研究了TiFe及其氢化物（TiFeH_x，x = 1、2、4）的结构、力学、电子、振动和光学性质。使用广义梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交换关联泛函处理电子相互作用，采用模守恒赝势描述核-价电子相互作用。结构优化使用BFGS算法，直至原子力与应力收敛至1×10^?4 Ry/Bohr和0.1 kBar。采用密度泛函微扰理论（DFPT）计算声子谱与热力学性质，并通过Maxwell关系与准谐近似（QHA）评估热容、热膨胀等行为。光学性质通过计算介电函数获得，涵盖能量范围0–15 eV。

Structural properties / 结构性质

TiFe原始结构为立方相（空间群 Pm3ˉm，No. 221），氢化导致对称性降低：TiFeH为正交Pmma结构（No. 51），TiFeH₂属于Cmmm空间群（No. 65），TiFeH₄为四方P4/mmm结构（No. 123）。这些结构变化反映了氢嵌入对金属晶格的显著影响，并伴随晶格参数的增大与体积膨胀，与实验观测一致。

Conclusion / 结论

本研究通过第一性原理计算全面评估了TiFe及其氢化物（TiFeH、TiFeH₂、TiFeH₄）在储氢应用方面的潜力。结果表明，氢化在引起晶格膨胀和对称性降低的同时，仍保持材料的力学与动力学稳定性。所有氢化物均表现出热力学有利性及延展特性。采用温度依赖的吉布斯自由能方法估算其脱附行为，在10 bar H₂条件下，TiFeH、TiFeH₂与TiFeH₄的脱附温度分别约为450 K、510 K与557 K。特别地，TiFeH₄的质量储氢容量达到3.74 wt%，展现出其在高效储氢材料中的潜力。此外，氢的引入调控介电响应并增强光学吸收，表明该类材料在热管理及氢传感等互补功能应用中亦具价值。本研究为设计稳定、高效的TiFe基氢化物提供了理论依据与预测性见解。