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【MS計(jì)算】IJHE：Cu基鈣鈦礦！儲(chǔ)氫能源

成果簡(jiǎn)介

在化學(xué)角度，氫氣由于在燃燒產(chǎn)物只有水，不會(huì)生成任何副產(chǎn)品，因此氫能被普遍認(rèn)為是21世紀(jì)最具潛力和競(jìng)爭(zhēng)力的清潔能源之一。因此，它可以用作家庭、汽車(chē)和其他便攜式電子產(chǎn)品的燃料。盡管有諸多好處，但氫能在其生產(chǎn)、運(yùn)輸和儲(chǔ)存方面仍面臨許多技術(shù)障礙，尤其是氫的儲(chǔ)存，相關(guān)的研究迫在眉睫。鈣鈦礦氫化物(ABH₃)由于具備益于儲(chǔ)氫的結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是一種在固態(tài)儲(chǔ)存氫領(lǐng)域十分有研究?jī)r(jià)值的材料。與傳統(tǒng)的液體容器和加壓氣瓶相比，金屬氫化物鈣鈦礦具有許多優(yōu)點(diǎn)，其中的金屬相可以大量吸收氫氣，且具有很高的安全性。

巴基斯坦赫瓦加法里德工程與信息技術(shù)大學(xué)的Bilal Ahmed等人就此利用第一性原理計(jì)算方法研究了XCuH₃ (X = Ca和Sr)的結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)氫、電子、光學(xué)和彈性特性，將對(duì)未來(lái)類(lèi)似化合物在相關(guān)領(lǐng)域的研究具有指導(dǎo)意義。

計(jì)算方法

本文采用Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并計(jì)算相關(guān)性能，利用廣義梯度近似（GGA）下的Perdew?Burke?Ernzerhof（PBE）泛函來(lái)描述電子交換關(guān)聯(lián)效應(yīng)，最大原子位移設(shè)為0.003 ?，通過(guò)Bloch定理實(shí)現(xiàn)了周期性勢(shì)場(chǎng)近似，并使用vanderbilt超軟贗勢(shì)對(duì)電子-離子勢(shì)進(jìn)行處理。

本文基于BFGS算法，計(jì)算電荷密度和電子波函數(shù)，在雜化泛函計(jì)算時(shí)，將Monkhorst-Pack k點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)置為6 × 6 × 1，為了保證計(jì)算精度，截?cái)嗄転?00 eV，力收斂準(zhǔn)則為0.05 eV/?，能量收斂準(zhǔn)則為2 × 10^-5 eV，在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，最大應(yīng)力保持在0.1 GPa以?xún)?nèi)。

結(jié)果與討論

在圖1展示了CaCuH₃和SrCuH₃的結(jié)構(gòu)模型，為了進(jìn)一步分析CaCuH₃和SrCuH₃的電子特性，作者計(jì)算了CaCuH₃和SrCuH₃的能帶結(jié)構(gòu)如圖2(a)、(b)所示。所有的計(jì)算都忽略了溫度限制的影響，能帶結(jié)構(gòu)在CB最小值和VB最大值之間沒(méi)有間隔（無(wú)帶隙），證明這些化合物呈現(xiàn)金屬性，態(tài)密度(DOS)可以佐證CaCuH₃和SrCuH₃能帶結(jié)構(gòu)的結(jié)果。

圖1 優(yōu)化后的空間群為pm3m的XCuH₃ (X = Ca和Sr)原胞結(jié)構(gòu)

圖2 能帶結(jié)構(gòu)(a) CaCuH₃和(b) SrCuH₃

CaCuH₃和SrCuH₃的總態(tài)密度如圖3所示，CaCuH₃和SrCuH₃的TDOS主峰分別位于?3.44 eV和?3.12 eV，在費(fèi)米能級(jí)附近，SrCuH₃的電子能級(jí)分布強(qiáng)度高于CaCuH₃，表明其電子遷移速率更快。由CaCuH₃和SrCuH₃的PDOS（圖4 a，b）可知，對(duì)于CaCuH₃，起到主要貢獻(xiàn)的是可能是Cu-3d軌道和Ca-3d軌道，主要貢獻(xiàn)區(qū)域在導(dǎo)帶。與此類(lèi)似，對(duì)于SrCuH₃，Sr、Cu和H的最外層電子層結(jié)構(gòu)分別為4p⁶ 5s¹、4s¹ 3d¹⁰和1s¹，在SrCuH₃的費(fèi)米能級(jí)附近，起到主要貢獻(xiàn)的是可能是Sr-4p軌道、Cu-3d軌道，主要作用區(qū)域也在導(dǎo)帶。

圖3 XCuH₃(X = Ca和Sr)的總態(tài)密度圖

圖4 XCuH₃(X = Ca和Sr)的分波態(tài)密度圖

XCuH₃的光學(xué)特性同樣至關(guān)重要，為了判斷化合物是否可以用于各種光電器件，本文對(duì)其光學(xué)性能進(jìn)行了研究，其中光譜頻率或能帶至關(guān)重要，它們決定了材料是否能夠應(yīng)用于光電器件(如太陽(yáng)能電池)。帶隙是材料中光吸收開(kāi)始發(fā)生的點(diǎn)，通常使用介電常數(shù)ε (ω)來(lái)獲得光學(xué)性質(zhì)，介電常數(shù)由ε₁(ω)(實(shí)部)和ε₂(ω)(虛部)組成，利用Kramers-Kronig關(guān)系可以從ε₂(ω)中提取出ε₁(ω)，所以ε₁(ω)，ε₂(ω)決定了材料對(duì)光的折射能力和吸收能力。

如圖5和圖6所示，得到ε(ω)的ε₁(ω)和ε₂(ω)部分后，作者計(jì)算出了XCuH₃基本的光學(xué)性質(zhì)，如折射率、介電函數(shù)、電導(dǎo)率、吸收、反射率和能量損失。介電常數(shù)ε₂(ω)表示化合物通過(guò)時(shí)變電場(chǎng)時(shí)有效捕獲能量的能力，而ε₁(ω)表示材料在電場(chǎng)作用下儲(chǔ)存和釋放能量的能力。CaCuH₃和SrCuH₃的介電常數(shù)實(shí)部分別在1.07 eV和1.42 eV處有峰值，而CaCuH₃和SrCuH₃的介電常數(shù)虛部峰值分別為1.89 eV和2.31 eV。

在0 eV下，CaCuH₃和SrCuH₃的ε(ω) ε₁(ω)分別為0.48和0.41，因此，與SrCuH₃相比，CaCuH₃具有更高的介電常數(shù)實(shí)部數(shù)值。CaCuH₃的折射率(虛部)的主峰為2.21 eV，折射率(實(shí)部)主峰為1.10 eV，如圖5所示，SrCuH₃的主折射率(實(shí)部)峰位于1.55 eV，而折射率(虛部)主峰位于3.60 eV。電導(dǎo)率是用來(lái)描述物質(zhì)中電荷流動(dòng)難易程度的參數(shù)，CaCuH₃的電導(dǎo)率(實(shí)部)主峰為7.25 eV，電導(dǎo)率(虛部)主峰為9.45 eV，而SrCuH₃的電導(dǎo)率(實(shí)部)主峰為7.53 eV，顯著電導(dǎo)率(虛部)峰為8.58 eV，表明兩種化合物均有較好的電導(dǎo)率。

圖5 XCuH₃ (X = Ca和Sr)的介電函數(shù)，折射率和電導(dǎo)率

圖6展示了CaCuH₃和SrCuH₃的光吸收譜，表明在0 eV下所有化合物的均沒(méi)有出現(xiàn)光吸收現(xiàn)象，CaCuH₃和SrCuH₃的主吸收峰分別在27.84 eV (λ = 44.54 nm)和25.15 eV (λ = 49.30 nm)處，CaCuH₃和SrCuH₃在1.80 eV (λ = 688.88 nm)和2.23 eV (λ = 556.05 nm)處，反射率達(dá)到峰值，分別為0.41和0.38，其波長(zhǎng)位于可見(jiàn)光區(qū)。在0 eV下測(cè)量時(shí)，CaCuH₃和SrCuH₃的反射率分別為0.33和0.28，CaCuH₃和SrCuH₃具有更大的反射率峰，CaCuH₃和SrCuH₃的損失函數(shù)的峰值分別為29.75 eV和27.98 eV。本文由此得出結(jié)論，CaCuH₃和SrCuH₃可以減少傳輸過(guò)程中的缺陷數(shù)量和載流子損耗，以及實(shí)現(xiàn)高的光轉(zhuǎn)換效率。

圖6 XCuH₃ (X = Ca和Sr)的吸收光譜，反射光譜和損失函數(shù)

表1列出了XCuH₃(X = Ca和Sr)的形成焓，可以通過(guò)焓變來(lái)預(yù)測(cè)形成能，負(fù)的形成能表明這些化合物熱力學(xué)穩(wěn)定。表1同時(shí)提供了XCuH₃ (X = Ca和Sr)的儲(chǔ)氫的質(zhì)量比，與SrCuH₃相比，CaCuH₃具有更高的儲(chǔ)氫容量(2.85%)，進(jìn)一步證明XCuH3 (X = Ca和Sr)可以應(yīng)用于儲(chǔ)氫。

表1 XCuH₃ (X = Ca和Sr)的晶格常數(shù)、體積、帶隙、形成焓和儲(chǔ)氫的質(zhì)量比

材料的彈性常數(shù)(C_ij)可以用來(lái)預(yù)測(cè)晶體對(duì)外力的反應(yīng)，也可以預(yù)測(cè)化合物的力學(xué)性能。然后使用彈性模量來(lái)進(jìn)一步分析化合物的力學(xué)和彈性特性，具體數(shù)值如表2，可以表明CaCuH₃和SrCuH₃具有良好的力學(xué)性能。

表2 CaCuH₃和SrCuH₃的彈性常數(shù)

結(jié)論與展望

本文采用第一性原理方法分析了鈣鈦礦型氫化物XCuH₃ (X = Ca和Sr)的結(jié)構(gòu)、電子光學(xué)和力學(xué)特性。XCuH₃ (X = Ca和Sr)具有立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)分別為3.66 ?和3.77 ?，由于價(jià)帶和導(dǎo)帶重疊，發(fā)現(xiàn)這些氫化物呈現(xiàn)金屬性，符合波恩穩(wěn)定性的要求，并且對(duì)通過(guò)彈性模量的計(jì)算，確定了其力學(xué)性能。因此，XCuH₃ (X = Ca和Sr)被認(rèn)為可以穩(wěn)定存在。根據(jù)對(duì)XCuH₃ (X = Ca和Sr)儲(chǔ)氫性能的對(duì)比研究，CaCuH₃的儲(chǔ)氫的質(zhì)量比最高，為2.85 wt%，其儲(chǔ)氫能力最佳。本文證明了XCuH₃ (X = Ca和Sr)用于儲(chǔ)氫裝置的可行性，為之后對(duì)于鈣鈦礦型氫化物在儲(chǔ)氫方面的研究提供了借鑒。

文獻(xiàn)信息

Ahmed, B., Tahir, M. B., Ali, A., & Sagir, M. (2023). First-principles screening of structural, electronic, optical and elastic properties of Cu-based hydrides-perovskites XCuH₃ (X= Ca and Sr) for hydrogen storage applications.?International Journal of Hydrogen Energy.

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.11.239

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