氫能中的儲氫研究成為研究的熱門領域之一，而新型鈣鈦礦材料已成為當前儲氫應用的焦點。近日，巴基斯坦哈瓦德法雷德工程與信息技術大學Adnan Khalil等人研究了AeVH3（Ae=Be，Mg，Ca，Sr）鈣鈦礦型氫化物，并利用密度泛函理論（DFT）來探究其儲氫應用潛力。
為了優化金屬基氫化物鈣鈦礦的幾何結構，作者使用了Materials Studio中的CASTEP模塊進行DFT計算。而對于交換相關勢，作者采用了廣義梯度近似（GGA）框架下的Perdew、Burke和Ernzerhof（PBE）贗勢。
作者使用Broyden、Fletcher、Goldfarb和Shanno（BFGS）能量最小化方法計算電子波函數和電荷密度。而對于k點采樣，作者采用了Monkhorst-Pack方法，并選擇了8×8×8的k點網格。此外，作者將截斷能設置為630eV，每個原子的最大離子力為5×10?2eV，能量收斂為2×10?6eV/atom。最大位移為2×10?4 ?，最大應力為0.1 G Pa。
如圖1 所示，堿土金屬基鈣鈦礦（AeVH3，Ae=Be，Mg，Ca，Sr）在室溫下的空間群為Pm-3m（221）。該結構每個晶胞有4個原子，并且Ae=Be，Ca，Mg，Sr原子位置為（0，0，0），V原子在體中心（0.5，0.5，0.5），三個氫原子在面中心（0，0.5，0.5）。
如圖2所示，從在布里淵區使用GGA-PBE方法計算的AeVH3（Ae=Be，Mg，Ca，Sr）鈣鈦礦能帶結構中可以看出，VBM和CBM彼此相遇，并且材料沒有明顯帶隙。因此，所有材料本質上是金屬性。
如圖3，圖4所示，在總和部分態密度中，垂直線表示費米能級（Ef），價帶和導帶由Be中的2s2、Mg中的2s2 2p6 3s2、Ca中的3s2 3p6 4s2、Sr中的4s2 4p6 5s2、V中的3s23p6 3d3 4s2和H中的1s1組成。
對于Ae=Be、Mg、Ca和Sr的AeVH3，TDOS的費米能級分別為2.51、3.24、4.61和5.47 eV。此外，在BeVH3、MgVH3、CaVH3和SrVH3中分別在5.26、4.03、5.77、5.63 eV處觀察到另一個峰。
圖5. 復介電函數實部和虛部變化，AeVH3的吸收和反射率
圖5（a，b）顯示了復介電常數的實部和虛部分量對不同光子能量的影響。對于復介電常數的實分量，BeVH3、MgVH3、CaVH3和SrVH3的靜態值為19.06、19.05、3.95和2.91。BeVH3、MgVH3、CaVH3和SrVH3的峰值在4.95 eV處為8.51，在3.39 eV處為7.17，在5.41 eV處為4.36，在3.06 eV處為4.03。直到最小能量達到6.34 eV時，介電函數逐漸降低，并分別在8.27 eV處達到-0.98，在8.01 eV時達到-2.5，在15.2 eV時為-0.75，在27.2 eV處達到-0.1。
與MgVH3、CaVH3和SrVH3相比，具有靜態介電函數（實數）最大值的BeVH3具有最高的極化，這表明其在儲氫設備中具有顯著的儲能性能。如圖5c所示，最大吸收峰為：BeVH3在27.7 eV處為4.1×105 cm?1，MgVH3在11.7 eV處為2.8×105 cm–1，CaVH3在7.8 eV處為2.7×105 cm-1，SrVH3在23.4 eV處為2.8×105cm?1。
在所研究的材料中，BeVH3具有巨大的儲氫應用潛力。如5（d）所示，BeVH3、MgVH3、CaVH3和SrVH3的R（ω）峰值在13.2 eV處為0.51、在6.1 eV處為0.34、在1.4 eV處為0.84和在1.74 eV處為0.92，因此，MgVH3和BeVH3的表面反射度最小。
如圖6a所示，BeVH3是儲氫系統中極具潛力的新型氫化物鈣鈦礦。圖6b中的BeVH3消光系數值為0.54，MgVH3為0.30。作者發現BeVH3在7.4 eV處的峰值為2.22，MgVH3在6.2 eV處峰值為1.78，CaVH3在7.2 eV處峰值為2.31，SrVH3在6.4 eV處峰值為2.59。因此，只有BeVH3才能在7.4eV處獲得2.22的靜態值和最高消光系數。
此外，如圖6c-e所示，當沒有光入射到AeVH3（Ae=Be、Mg、Ca和Sr）氫化物鈣鈦礦上時，所有材料都具有零電導率。AeVH3（Ae=Be，Mg，Ca，Sr）氫化物鈣鈦礦的能量損失函數結果如圖6f所示，BeVH3在19.3eV處的損失函數峰值為5.74，MgVH3在28.8eV處為3.89，CaVH3在27.2eV處為3.4，SrVH3在20.7eV處為3.24。
通過研究材料的電子結構、光學性質、彈性特征和機械穩定性，作者發現AeVH3化合物的晶體結構為立方體，而對于Ae=be、Mg、Ca和Sr化合物，晶格常數分別為3.66、3.48、3.76和3.83。作者還研究了化合物的機械特性，發現這些化合物都具有機械穩定性，并且這些材料還具有脆性和硬性。此外，作者發現所有化合物都適合作為燃料長期儲存氫氣，并且能在電力和運輸應用中發揮重要作用。
Areeba Siddique et.al Structures and hydrogen storage properties of AeVH3 (Ae = Be, Mg, Ca, Sr) perovskite hydrides by DFT calculations International Journal of Hydrogen Energy 2023
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.03.139
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