XCdH? (X = Li, Na 和 Cs) 的结构、电子、弹性、力学和光学性质的广泛研究：面向储氢应用的第一性原理方法

《Journal of the Indian Chemical Society》：An extensive study of structural, electronic, elastic, mechanical and optical properties of XCdH 3 (X = Li, Na and Cs) for hydrogen storage applications: First-principles approach

　　

• •
  这些化合物的结构稳定性已通过应用Born稳定性准则得到验证。
• •
  XCdH₃氢化物的结构稳定性通过形成焓分析进行了评估，确认所有研究的氢化物均为热力学稳定。LiCdH₃、NaCdH₃和CsCdH₃的氢重量存储容量分别测定为2.47wt%、2.18 wt%和1.22 wt%。

引言

化石燃料是满足全球能源需求的主要能源来源。然而，随着人口的快速增长，能源消耗已成为一个关键挑战。为解决这一问题，研究人员不断探索和开发新技术。因此，能源短缺已成为科学界解决这一紧迫问题的关键关注领域。对传统能源的依赖由于释放二氧化碳、一氧化碳和其他有害排放物也带来了重大的环境风险[1]，[2]。因此，化石燃料的广泛使用和频繁燃烧导致大量CO₂排放[3]。化石燃料的燃烧对全球变暖的加剧有着显著贡献。向可再生能源的转变是缓解能源危机的一个可行解决方案。在众多潜在材料中，金属氢化物作为满足未来能源需求的高度前景选择而备受关注。这些化合物被认为是氢能应用中理想的储氢材料[4]。这些金属卤化物钙钛矿在解决氢能存储作为替代能源方案的相关挑战中发挥着关键作用[5]。在ABX₃结构中，当X位点被氢取代时，所得钙钛矿被归类为氢化物钙钛矿[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。Zhang等人使用密度泛函理论（DFT）对XYH₃（X = K，Rb，Cs）的储氢性能以及结构、力学、光电、动态和热力学性质进行了详细研究，这是首次此类综合分析[10]。Song等人利用CASTEP代码实现的DFT方法研究了ARH₃化合物（A = K，Li，Rb且R = Sr，Ca）的结构、电子、光学、力学和储氢容量性质[11]。M. Ali进行了原子尺度模拟，以探索NaAH₃（A = Sc，Ti，V）金属氢化物钙钛矿的电子结构、力学稳定性和光学行为，评估其适用于储氢应用的潜力[12]。利用第一性原理计算方法，M. U. Ghani等人对XCdH₃（X = K，Rb）化合物的结构、电子、弹性、力学和光学性质进行了深入研究生，以评估其在储氢中的潜在应用[13]。此外，计算方法的可靠性也可通过类似材料来证明[14]，[15]，[16]，[17]，[18]，[19]，[20]。在本研究中，我们采用从头算计算方法系统地考察了新设计的氢化物基钙钛矿材料XCdH₃（X = Li，Na和Cs）的结构、光学、电子、力学性质以及储氢潜力。采用CASTEP代码来研究所有必要参数。XCdH₃系列（X = Li，Na和Cs）中的氢化物基钙钛矿化合物相对新颖，其探索是本次研究的核心重点。迄今为止，针对这一特定材料群体的全面调查或分析研究有限。因此，本研究提供了基础理解并对现有文献做出了有价值的贡献。本研究以对第一性原理框架、计算方法、所得结果和最终结论的彻底考察，以结构化且详细的方式进行了讨论。

章节摘录

计算方法

所有XCdH₃（X = Li，Na和Cs）均采用了空间群221（Pm-3m）的立方相结构。在构建晶胞后，进行了几何优化以确保结构稳定性。所有后续材料性质的计算均基于优化后的晶胞几何结构。采用CASTEP代码评估结构、电子、光学、力学和弹性特性[21]。在DFT框架下，广义梯度近似（GGA）

结构分析与储氢性能

对XCdH₃（X = Li，Na和Cs）氢化物钙钛矿的结构性质进行了晶格参数和对称性分析。所有研究的化合物均表现出属于Pm-3m（221）空间群的立方晶体结构。这些材料的立方排列如图1所示。LiCdH₃、NaCdH₃和CsCdH₃的晶胞体积分别计算为64.7282 ?³、68.0431 ?³和84.0324 ?³。经过几何优化后，晶格常数确定约为a =

结论

在本研究中，采用DFT对XCdH₃（X = Li，Na和Cs）的物理和重量储氢容量进行了研究。这些化合物的结构稳定性已通过应用Born稳定性准则得到验证。带结构和态密度（PDOS）分析确认了这些材料的金属特性。包括晶格常数、弹性常数、泊松比、弹性各向异性等关键力学性质已被计算。此外，

CRediT作者贡献声明

侯海军：原稿撰写、方法论、调查研究。范强：审阅与编辑、原稿撰写、软件、方法论、调查研究、经费获取。杨建辉：原稿撰写、方法论、调查研究

数据和材料可用性

当前研究中生成和/或分析的数据集可从通讯作者处合理请求获取。

利益冲突

不适用。

伦理批准

不适用。

竞争利益

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响到本文报告的工作。

资金支持

本研究由国家自然科学基金委员会（52262042）、乐山师范学院（资助编号2021SSDJS013、KYPY2024-0008）以及乐山西部硅材料光伏新能源产业技术研究院开放项目（资助编号2022CHXK009、2022CHXK013、2024GYKF16）；乐山市科学技术局（资助编号23GZD023、23SZD044）资助。

竞争利益声明

作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响到本文报告的工作。

范强|侯海军|杨建辉