金属间化合物氢化物作为可再生能源技术和氢储能领域的稳定材料

《Physica B: Condensed Matter》：Intermetallic Complex Hydrides, as Stable Materials for Renewable Energy Technology and Hydrogen Storage Performance

　　

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  天然的AB₂H₇氢化物在可见光能量转换和氢储存方面展现出多功能性。
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  1.23–2.49 eV的带隙使得它们能够高效吸收可见光，适用于太阳能应用。
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  较高的零点能表明其具有强键合性、结构稳定性和长期循环耐用性。
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  ScMg₂H₇和ScBe₂H₇的氢储存量分别达到7.01%和10.07%，超过了美国能源部（DOE）设定的5.5%的目标。
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  这些金属间复杂氢化物成为集成太阳能和氢储存材料的有希望的选择。

引言

由于环境问题和生活成本上升，化石燃料的开采变得越来越困难。目前，全球正面临严重的能源危机，燃料供应链的不稳定和中断影响了全球燃料市场，导致燃料供应受限，从而使全球燃料价格上涨。此外，随着技术的进步，全球能源需求显著增加，依靠煤炭、石油和天然气等昂贵且对环境有害的化石燃料已难以满足这一需求。因此，迫切需要转向可持续和可再生能源，因为它们无污染且在全球范围内易于获取。在所有可用的可再生能源中，氢能因其全球性的可得性和无污染特性而成为最具前景的能源之一。通过氢化物材料生产氢气（固态储存方法）[4]仅产生水作为副产物，并且与传统储存方法相比，它还具有更高的安全性、更好的储存能力和更优的体积密度[5]。此外，由于氢化物良好的光电特性，它们还可以用于其他可再生能源应用，例如光伏技术，这些特性可以将阳光（广泛可用且清洁的能源）转化为有用的能量形式[6]。

金属间复杂氢化物AB₂H₇（A = La, Sc，B = Mg, Be）因其含有大量氢而能够实现这些目标，这无疑提高了其氢储存的重量容量和体积密度。碱土金属的存在还有助于降低电子带隙，使其氢储存重量容量接近美国能源部（US DOE）设定的5.5%的目标，使这些氢化物成为太阳能转换和氢储存的多功能材料[7]。重金属的存在使这些材料能够承受热扰动，也可能使它们适应极端天气条件[8]。根据最新研究，基于金属的氢化物在多功能应用中显示出显著潜力。例如，像X₃H₈Ru（X = Ba, Mg, Sr, Ca）这样的氢化物具有0.55至2.58 eV的带隙值，强调了它们在太阳能电池和氢储存应用中的潜力[9]。同样，基于金属的氢化物LiX₃H₈（X = B, Al, Ga, In）的氢储存重量容量分别为17%、8.41%、3.60%和2.24%，某些材料甚至超过了US-DOE的目标限值，使其成为氢储存应用的理想选择[10]。这些材料的带隙值位于紫外区域，分别为6.122、4.082、5.243和4.995 eV，使它们能够吸收紫外线并将其转化为其他有用的能量形式，进一步体现了它们的多功能潜力。金属取代的钙钛矿氢化物BFe₂XH（X = Be, Mg, Ca）虽然氢储存重量容量较低，但具有高光学导电性和吸收系数，证明了它们出色的吸光能力，进一步确认了它们的多功能特性[11]。类似地，半导体氢化物X₂PdH₄（X = Na, K, Rb, Cs）的带隙值位于可见光区域，适合用于太阳能转换，同时具备良好的氢储存能力和延展性机械性能，使其适用于灵活的光子器件[12]。

最近的第一性原理研究表明，X₂CaCdH₆（X = Rb和Cs）氢化物的间接带隙为2.13–2.30 eV，氢储存重量容量在1.39%至1.69%之间，表明它们适用于氢储存[13]。同样，K₂LiXH₆（X = Al, Ga, In）等氢化物表现出良好的电子特性，带隙值适合能量转换，氢储存容量在2.92–5.08%之间，展示了它们的氢储存潜力[14]。像Li₃H₄N₂X（X = F, Cl, Br, I）这样的复杂材料显示出2.97–3.28 eV的带隙和2.5%至6.0%的氢储存重量容量，表明它们在多功能能量转换和氢储存应用中具有很大的潜力[15]。X₂FeH₆（X = Ca和Sr）等氢化物的间接带隙分别为1.67和1.37 eV，氢储存重量容量分别为4.28%和2.54%，强调了它们作为氢储存材料的潜力[16]。复杂化合物BaX₂H₈Ru（X = Be, Mg, Ca, Sr）的带隙可调，范围为1.64至2.36 eV，氢储存重量容量为1.91%至3.05%，适用于固定氢储存应用[17]。

基于关于氢化物材料的这些研究，本文进一步探讨了未探索的金属间复杂氢化物AB₂H₇（A = La, Sc，B = Mg, Be）在太阳能转换和氢储存技术中的多功能性。这些氢化物的高氢含量表明它们作为安全固态氢储存材料的巨大潜力。此外，La和Sc的引入有望提供优异的热力学稳定性、强氢亲和力和增强的电子特性。通过研究这些金属间复杂氢化的物理性质，本文建立了性质与实际应用之间的联系，为当前的能源危机提供了清洁的解决方案，并为可持续的未来指明了方向。

章节片段

方法论

本研究采用了Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP) [18]软件包，对金属间复杂氢化物AB₂H₇（A = La, Sc，B = Mg, Be）的结构、光电、热机械和与氢相关的性质进行了详细分析，以探索其多功能潜力。使用Broyden–Fletcher–Goldfarb–Shanno (BFGS) [19]算法获得了每种复杂氢化物的基态能量。这些测量遵循了严格的收敛标准。

结构性质

金属间复杂氢化物AB₂H₇（A = La, Sc，B = Mg, Be）具有四方对称性，空间群为P4₁2₁2，对应于国际晶体学表（IT）中的空间群编号92 [32]。氢化物的单元晶胞结构如图1所示。表1提供了这些氢化物的晶格参数比较。氢化物的晶格参数变化与替代物种的离子半径直接相关。

结论

本研究采用密度泛函理论（DFT）方法模拟了金属间复杂氢化物AB₂H₇（A = La, Sc，B = Mg, Be）的多功能性质，以应对当前的能源危机。通过声子色散分析和零点能（5.51至6.64 eV）证实了它们的热力学稳定性和刚性行为。这些氢化物表现出半导体特性，具有最佳带隙值（2.29–1.11 eV），使其适合用于太阳能采集设备。

CRediT作者贡献声明

Ahmad Hussain：软件、资源、方法论、数据管理。Zeinhom M. El-Bahy：初次撰写、指导、方法论、形式分析。Nada Alhathlaul：初次撰写、调查、形式分析。Nabeeha Shahid：可视化、软件、调查、数据管理。Ali Yaqoob：可视化、验证、方法论、数据管理。Eman Ramadan Elsharkawy：初次撰写、指导、项目管理、资金获取。Syeda Nayab Fatima：

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

数据将根据请求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯北方边境大学通过项目编号（NBU-CRP-2026-249）对本工作的支持。

Nada Alhathlaul|Nabeeha Shahid|Syeda Nayab Fatima|Nawishta Jabeen|Ali Yaqoob|Eman Ramadan Elsharkawy|Ahmad Hussain|Zeinhom M. El-Bahy