在化學角度，氫氣由于在燃燒產物只有水，不會生成任何副產品，因此氫能被普遍認為是21世紀最具潛力和競爭力的清潔能源之一。因此，它可以用作家庭、汽車和其他便攜式電子產品的燃料。盡管有諸多好處，但氫能在其生產、運輸和儲存方面仍面臨許多技術障礙，尤其是氫的儲存，相關的研究迫在眉睫。鈣鈦礦氫化物(ABH3)由于具備益于儲氫的結構，被認為是一種在固態儲存氫領域十分有研究價值的材料。與傳統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點，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大學的Bilal Ahmed等人就此利用第一性原理計算方法研究了XCuH3 (X = Ca和Sr)的結構、儲氫、電子、光學和彈性特性，將對未來類似化合物在相關領域的研究具有指導意義。
本文采用Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP)方法進行結構優化并計算相關性能，利用廣義梯度近似（GGA）下的Perdew?Burke?Ernzerhof（PBE）泛函來描述電子交換關聯效應，最大原子位移設為0.003 ?，通過Bloch定理實現了周期性勢場近似，并使用vanderbilt超軟贗勢對電子-離子勢進行處理。
本文基于BFGS算法，計算電荷密度和電子波函數，在雜化泛函計算時，將Monkhorst-Pack k點網格設置為6 × 6 × 1，為了保證計算精度，截斷能為400 eV，力收斂準則為0.05 eV/?，能量收斂準則為2 × 10-5 eV，在整個計算過程中，最大應力保持在0.1 GPa以內。
在圖1展示了CaCuH3和SrCuH3的結構模型，為了進一步分析CaCuH3和SrCuH3的電子特性，作者計算了CaCuH3和SrCuH3的能帶結構如圖2(a)、(b)所示。所有的計算都忽略了溫度限制的影響，能帶結構在CB最小值和VB最大值之間沒有間隔（無帶隙），證明這些化合物呈現金屬性，態密度(DOS)可以佐證CaCuH3和SrCuH3能帶結構的結果。
圖1 優化后的空間群為pm3m的XCuH3 (X = Ca和Sr)原胞結構
圖2 能帶結構(a) CaCuH3和(b) SrCuH3
CaCuH3和SrCuH3的總態密度如圖3所示，CaCuH3和SrCuH3的TDOS主峰分別位于?3.44 eV和?3.12 eV，在費米能級附近，SrCuH3的電子能級分布強度高于CaCuH3，表明其電子遷移速率更快。由CaCuH3和SrCuH3的PDOS（圖4 a，b）可知，對于CaCuH3，起到主要貢獻的是可能是Cu-3d軌道和Ca-3d軌道，主要貢獻區域在導帶。與此類似，對于SrCuH3，Sr、Cu和H的最外層電子層結構分別為4p6 5s1、4s1 3d10和1s1，在SrCuH3的費米能級附近，起到主要貢獻的是可能是Sr-4p軌道、Cu-3d軌道，主要作用區域也在導帶。
圖3 XCuH3(X = Ca和Sr)的總態密度圖
圖4 XCuH3(X = Ca和Sr)的分波態密度圖
XCuH3的光學特性同樣至關重要，為了判斷化合物是否可以用于各種光電器件，本文對其光學性能進行了研究，其中光譜頻率或能帶至關重要，它們決定了材料是否能夠應用于光電器件(如太陽能電池)。帶隙是材料中光吸收開始發生的點，通常使用介電常數ε (ω)來獲得光學性質，介電常數由ε1(ω)(實部)和ε2(ω)(虛部)組成，利用Kramers-Kronig關系可以從ε2(ω)中提取出ε1(ω)，所以ε1(ω)，ε2(ω)決定了材料對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，作者計算出了XCuH3基本的光學性質，如折射率、介電函數、電導率、吸收、反射率和能量損失。介電常數ε2(ω)表示化合物通過時變電場時有效捕獲能量的能力，而ε1(ω)表示材料在電場作用下儲存和釋放能量的能力。CaCuH3和SrCuH3的介電常數實部分別在1.07 eV和1.42 eV處有峰值，而CaCuH3和SrCuH3的介電常數虛部峰值分別為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實部數值。CaCuH3的折射率(虛部)的主峰為2.21 eV，折射率(實部)主峰為1.10 eV，如圖5所示，SrCuH3的主折射率(實部)峰位于1.55 eV，而折射率(虛部)主峰位于3.60 eV。電導率是用來描述物質中電荷流動難易程度的參數，CaCuH3的電導率(實部)主峰為7.25 eV，電導率(虛部)主峰為9.45 eV，而SrCuH3的電導率(實部)主峰為7.53 eV，顯著電導率(虛部)峰為8.58 eV，表明兩種化合物均有較好的電導率。
圖5 XCuH3 (X = Ca和Sr)的介電函數，折射率和電導率
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有出現光吸收現象，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，反射率達到峰值，分別為0.41和0.38，其波長位于可見光區。在0 eV下測量時，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的損失函數的峰值分別為29.75 eV和27.98 eV。本文由此得出結論，CaCuH3和SrCuH3可以減少傳輸過程中的缺陷數量和載流子損耗，以及實現高的光轉換效率。
圖6 XCuH3 (X = Ca和Sr)的吸收光譜，反射光譜和損失函數
表1列出了XCuH3 (X = Ca和Sr)的形成焓，可以通過焓變來預測形成能，負的形成能表明這些化合物熱力學穩定。表1同時提供了XCuH3 (X = Ca和Sr)的儲氫的質量比，與SrCuH3相比，CaCuH3具有更高的儲氫容量(2.85%)，進一步證明XCuH3 (X = Ca和Sr)可以應用于儲氫。
表1 XCuH3 (X = Ca和Sr)的晶格常數、體積、帶隙、形成焓和儲氫的質量比
材料的彈性常數(Cij)可以用來預測晶體對外力的反應，也可以預測化合物的力學性能。然后使用彈性模量來進一步分析化合物的力學和彈性特性，具體數值如表2，可以表明CaCuH3和SrCuH3具有良好的力學性能。
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)的結構、電子光學和力學特性。XCuH3 (X = Ca和Sr)具有立方結構，晶格常數分別為3.66 ?和3.77 ?，由于價帶和導帶重疊，發現這些氫化物呈現金屬性，符合波恩穩定性的要求，并且對通過彈性模量的計算，確定了其力學性能。因此，XCuH3 (X = Ca和Sr)被認為可以穩定存在。根據對XCuH3 (X = Ca和Sr)儲氫性能的對比研究，CaCuH3的儲氫的質量比最高，為2.85 wt%，其儲氫能力最佳。本文證明了XCuH3 (X = Ca和Sr)用于儲氫裝置的可行性，為之后對于鈣鈦礦型氫化物在儲氫方面的研究提供了借鑒。
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
【做計算 找華算】華算科技專注DFT代算服務、正版商業軟件版權、全職海歸計算團隊，10000+成功案例！客戶成果發表在Nature、Nature Catalysis、JACS、Angew.、AM、AEM、AFM等頂刊，好評如潮，專業靠譜！計算內容涉及材料結構、催化活性能、反應路徑計算、OER、HER、ORR、自由能、電位、容量、電導率、離子擴散，過渡態+AIMD、吸附；HOMO/LUMO，離子溶劑化配位結構，固態電解質鋰離子通道等。
原創文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/01/26/d619dd277c/
