隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣黾?，固態(tài)儲(chǔ)氫材料的研發(fā)變得愈發(fā)緊迫。在這一領(lǐng)域，通過(guò)理論計(jì)算對(duì)固態(tài)氫化物脫氫的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行全面理解，并且選用優(yōu)異的催化劑和材料結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。近期，一項(xiàng)最新研究通過(guò)開(kāi)發(fā)一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的描述符模型，為高性能固態(tài)氫儲(chǔ)存材料的發(fā)展提供了新動(dòng)力。

研究人員指出，了解固態(tài)儲(chǔ)氫材料的脫氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)對(duì)于設(shè)計(jì)新材料至關(guān)重要。然而，目前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)無(wú)法對(duì)每個(gè)反應(yīng)細(xì)節(jié)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行測(cè)量，而使用第一性原理計(jì)算動(dòng)力學(xué)特性又存在成本高、耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題。

因此，急需尋找一種能夠與脫氫能壘形成定量構(gòu)效關(guān)系（quantitative structure-activity relationship, QSAR）的方法形成通用描述符，以加速材料設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程。近日，華北電力大學(xué)楊維結(jié)副教授同日本東北大學(xué)李昊副教授合作，以Mg-H鍵強(qiáng)（-ICOHP）為引線，結(jié)合氫原子間距與鄰域化學(xué)環(huán)境，構(gòu)建了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的用以描述和預(yù)測(cè)固態(tài)儲(chǔ)氫材料MgH₂脫氫動(dòng)力學(xué)性能的描述符模型。

該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用典型的固態(tài)氫儲(chǔ)存材料——鎂氫化物（MgH₂）作為研究對(duì)象，并基于其晶體軌道哈密頓（Hamiltonian）布居法和氫原子位移，開(kāi)發(fā)的描述符模型，揭示了脫氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵化學(xué)過(guò)程，為理解材料性能提供了重要線索。

目前，該研究工作以“Picturing the Gap Between the Performance and US-DOE’s Hydrogen Storage Target: A Data-Driven Model for MgH₂ Dehydrogenation”為題，發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》上，華北電力大學(xué)（保定）楊維結(jié)副教授和日本東北大學(xué)李昊副教授為文章的共同通訊作者。華北電力大學(xué)（保定）2020級(jí)碩士研究生李超群（目前在復(fù)旦大學(xué)就讀博士）為文章第一作者。

研究團(tuán)隊(duì)首先利用密度泛函理論（DFT）結(jié)合CI-NEB（Climbing Image Nudged Elastic Band）方法和IDM（Improved Dimer Method），對(duì)不同結(jié)構(gòu)的MgH₂過(guò)渡態(tài)進(jìn)行搜索和計(jì)算。他們?cè)噲D通過(guò)測(cè)量Mg-H鍵的長(zhǎng)度和鍵強(qiáng)等來(lái)探索能量障礙與各種基本性質(zhì)的相關(guān)性。描述符的起始構(gòu)建采用晶體軌道哈密頓量（Hamiltonian）布局的積分絕對(duì)值（-ICOHP）作為鍵強(qiáng)描述的基本變量，并考慮了參與反應(yīng)的Mg-H鍵的平均鍵強(qiáng)、最大鍵強(qiáng)以及外側(cè)和內(nèi)側(cè)鍵強(qiáng)作為可能的組成部分。

Figure 1 The initial exploration of the descriptors for MgH₂ dehydrogenation barrier.

在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間摸索后，團(tuán)隊(duì)使用不同結(jié)構(gòu)的H空位來(lái)對(duì)反應(yīng)區(qū)域化學(xué)環(huán)境進(jìn)行描述。令人驚訝的是，在考慮到H空位排列的情況下，描述符已經(jīng)能夠與能壘有很好的線性相關(guān)性。為了驗(yàn)證這一規(guī)律，研究團(tuán)隊(duì)繼續(xù)補(bǔ)充了不同H空位和不同H原子的脫氫樣本。

另外，通過(guò)原子碰撞理論與宏觀中的胡克定律啟發(fā)。根據(jù)原子距離越遠(yuǎn)碰撞概率越低，斷鍵后的成鍵時(shí)間越晚，導(dǎo)致的過(guò)渡態(tài)能量的升高。將H原子在反應(yīng)中的位移量Δx加入到描述符中。使描述符與脫氫能壘表現(xiàn)出驚人線性相關(guān)（R²>0.9）。

Figure 2 Exploration of the region where H vacancies capable of influencing the MgH₂ dehydrogenation barrier are located and model correlation analysis to modify the neighborhood coefficients of H defect.

不僅如此，為了更好更快的預(yù)測(cè)催化體系或者摻雜體系的脫氫性能，引入了電負(fù)性對(duì)金屬摻雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，而這不僅擴(kuò)充了數(shù)據(jù)樣本還對(duì)描述符的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了擴(kuò)展。最終，一個(gè)由鍵強(qiáng)最大值、H原子反應(yīng)位移、H空位數(shù)量和周?chē)娯?fù)性環(huán)境所構(gòu)成的脫氫能壘描述符模型搭建完成。在添加三組測(cè)試樣本對(duì)進(jìn)行模型測(cè)試時(shí)，描述符測(cè)試誤差僅為0.04、0.11以及0.09 eV。

此外，值得注意的是基于描述符的預(yù)測(cè)不僅與DFT的結(jié)果精確匹配，與金屬摻雜實(shí)驗(yàn)中觀察到的MgH₂脫氫的溫度也表現(xiàn)出驚人的一致性。而進(jìn)一步通過(guò)模型推測(cè)，通過(guò)某些高電負(fù)性4d和5d過(guò)渡金屬摻雜和表面結(jié)構(gòu)處理工藝，可能會(huì)使脫氫溫度進(jìn)一步降低，以符合US-DOE設(shè)定的溫度標(biāo)準(zhǔn)。

Figure 3 Validating the accuracy of the derived model. (a) Structures of MgH₂ dehydrogenation for model validation. White and orange spheres represent H and Mg, respectively. Blue spheres and dashed circles represent the atomic H involved in the reaction and H vacancy, respectively.

該模型的獨(dú)特之處在于，所有參數(shù)均可通過(guò)較少的計(jì)算成本進(jìn)行直接計(jì)算。這意味著高效地預(yù)測(cè)固態(tài)儲(chǔ)氫材料的脫氫性能成為可能，無(wú)需進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)和從頭計(jì)算（ab initio method）。

通過(guò)與迄今為止報(bào)道的典型實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，該模型表現(xiàn)出了出色的一致性。這為將MgH₂的性能推向美國(guó)能源部（US-DOE）設(shè)定的目標(biāo)提供了明確的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，并為未來(lái)固態(tài)氫儲(chǔ)存材料的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

這一研究成果不僅為固態(tài)氫儲(chǔ)存材料領(lǐng)域帶來(lái)了新的突破，也為清潔能源技術(shù)的發(fā)展提供了重要支持。未來(lái)，研究人員將進(jìn)一步優(yōu)化該模型，以應(yīng)對(duì)固態(tài)氫儲(chǔ)存材料設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)，推動(dòng)清潔能源技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用。

Figure 4 The composition of descriptors for the kinetics of MgH₂ dehydrogenation.