在化学角度,氢气由于在燃烧产物只有水,不会生成任何副产品,因此氢能被普遍认为是21世纪最具潜力和竞争力的清洁能源之一。因此,它可以用作家庭、汽车和其他便携式电子产品的燃料。尽管有诸多好处,但氢能在其生产、运输和储存方面仍面临许多技术障碍,尤其是氢的储存,相关的研究迫在眉睫。钙钛矿氢化物(ABH3)由于具备益于储氢的结构,被认为是一种在固态储存氢领域十分有研究价值的材料。与传统的液体容器和加压气瓶相比,金属氢化物钙钛矿具有许多优点,其中的金属相可以大量吸收氢气,且具有很高的安全性。
巴基斯坦赫瓦加法里德工程与信息技术大学的Bilal Ahmed等人就此利用第一性原理计算方法研究了XCuH3 (X = Ca和Sr)的结构、储氢、电子、光学和弹性特性,将对未来类似化合物在相关领域的研究具有指导意义。
本文采用Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP)方法进行结构优化并计算相关性能,利用广义梯度近似(GGA)下的Perdew−Burke−Ernzerhof(PBE)泛函来描述电子交换关联效应,最大原子位移设为0.003 Å,通过Bloch定理实现了周期性势场近似,并使用vanderbilt超软赝势对电子-离子势进行处理。
本文基于BFGS算法,计算电荷密度和电子波函数,在杂化泛函计算时,将Monkhorst-Pack k点网格设置为6 × 6 × 1,为了保证计算精度,截断能为400 eV,力收敛准则为0.05 eV/Å,能量收敛准则为2 × 10-5 eV,在整个计算过程中,最大应力保持在0.1 GPa以内。
在图1展示了CaCuH3和SrCuH3的结构模型,为了进一步分析CaCuH3和SrCuH3的电子特性,作者计算了CaCuH3和SrCuH3的能带结构如图2(a)、(b)所示。所有的计算都忽略了温度限制的影响,能带结构在CB最小值和VB最大值之间没有间隔(无带隙),证明这些化合物呈现金属性,态密度(DOS)可以佐证CaCuH3和SrCuH3能带结构的结果。
图1 优化后的空间群为pm3m的XCuH3 (X = Ca和Sr)原胞结构
图2 能带结构(a) CaCuH3和(b) SrCuH3
CaCuH3和SrCuH3的总态密度如图3所示,CaCuH3和SrCuH3的TDOS主峰分别位于−3.44 eV和−3.12 eV,在费米能级附近,SrCuH3的电子能级分布强度高于CaCuH3,表明其电子迁移速率更快。由CaCuH3和SrCuH3的PDOS(图4 a,b)可知,对于CaCuH3,起到主要贡献的是可能是Cu-3d轨道和Ca-3d轨道,主要贡献区域在导带。与此类似,对于SrCuH3,Sr、Cu和H的最外层电子层结构分别为4p6 5s1、4s1 3d10和1s1,在SrCuH3的费米能级附近,起到主要贡献的是可能是Sr-4p轨道、Cu-3d轨道,主要作用区域也在导带。
图3 XCuH3(X = Ca和Sr)的总态密度图
图4 XCuH3(X = Ca和Sr)的分波态密度图
XCuH3的光学特性同样至关重要,为了判断化合物是否可以用于各种光电器件,本文对其光学性能进行了研究,其中光谱频率或能带至关重要,它们决定了材料是否能够应用于光电器件(如太阳能电池)。带隙是材料中光吸收开始发生的点,通常使用介电常数ε (ω)来获得光学性质,介电常数由ε1(ω)(实部)和ε2(ω)(虚部)组成,利用Kramers-Kronig关系可以从ε2(ω)中提取出ε1(ω),所以ε1(ω),ε2(ω)决定了材料对光的折射能力和吸收能力。
如图5和图6所示,得到ε(ω)的ε1(ω)和ε2(ω)部分后,作者计算出了XCuH3基本的光学性质,如折射率、介电函数、电导率、吸收、反射率和能量损失。介电常数ε2(ω)表示化合物通过时变电场时有效捕获能量的能力,而ε1(ω)表示材料在电场作用下储存和释放能量的能力。CaCuH3和SrCuH3的介电常数实部分别在1.07 eV和1.42 eV处有峰值,而CaCuH3和SrCuH3的介电常数虚部峰值分别为1.89 eV和2.31 eV。
在0 eV下,CaCuH3和SrCuH3的ε(ω) ε1(ω)分别为0.48和0.41,因此,与SrCuH3相比,CaCuH3具有更高的介电常数实部数值。CaCuH3的折射率(虚部)的主峰为2.21 eV,折射率(实部)主峰为1.10 eV,如图5所示,SrCuH3的主折射率(实部)峰位于1.55 eV,而折射率(虚部)主峰位于3.60 eV。电导率是用来描述物质中电荷流动难易程度的参数,CaCuH3的电导率(实部)主峰为7.25 eV,电导率(虚部)主峰为9.45 eV,而SrCuH3的电导率(实部)主峰为7.53 eV,显著电导率(虚部)峰为8.58 eV,表明两种化合物均有较好的电导率。
图5 XCuH3 (X = Ca和Sr)的介电函数,折射率和电导率
图6展示了CaCuH3和SrCuH3的光吸收谱,表明在0 eV下所有化合物的均没有出现光吸收现象,CaCuH3和SrCuH3的主吸收峰分别在27.84 eV (λ = 44.54 nm)和25.15 eV (λ = 49.30 nm)处,CaCuH3和SrCuH3在1.80 eV (λ = 688.88 nm)和2.23 eV (λ = 556.05 nm)处,反射率达到峰值,分别为0.41和0.38,其波长位于可见光区。在0 eV下测量时,CaCuH3和SrCuH3的反射率分别为0.33和0.28,CaCuH3和SrCuH3具有更大的反射率峰,CaCuH3和SrCuH3的损失函数的峰值分别为29.75 eV和27.98 eV。本文由此得出结论,CaCuH3和SrCuH3可以减少传输过程中的缺陷数量和载流子损耗,以及实现高的光转换效率。
图6 XCuH3 (X = Ca和Sr)的吸收光谱,反射光谱和损失函数
表1列出了XCuH3 (X = Ca和Sr)的形成焓,可以通过焓变来预测形成能,负的形成能表明这些化合物热力学稳定。表1同时提供了XCuH3 (X = Ca和Sr)的储氢的质量比,与SrCuH3相比,CaCuH3具有更高的储氢容量(2.85%),进一步证明XCuH3 (X = Ca和Sr)可以应用于储氢。
表1 XCuH3 (X = Ca和Sr)的晶格常数、体积、带隙、形成焓和储氢的质量比
材料的弹性常数(Cij)可以用来预测晶体对外力的反应,也可以预测化合物的力学性能。然后使用弹性模量来进一步分析化合物的力学和弹性特性,具体数值如表2,可以表明CaCuH3和SrCuH3具有良好的力学性能。
本文采用第一性原理方法分析了钙钛矿型氢化物XCuH3 (X = Ca和Sr)的结构、电子光学和力学特性。XCuH3 (X = Ca和Sr)具有立方结构,晶格常数分别为3.66 Å和3.77 Å,由于价带和导带重叠,发现这些氢化物呈现金属性,符合波恩稳定性的要求,并且对通过弹性模量的计算,确定了其力学性能。因此,XCuH3 (X = Ca和Sr)被认为可以稳定存在。根据对XCuH3 (X = Ca和Sr)储氢性能的对比研究,CaCuH3的储氢的质量比最高,为2.85 wt%,其储氢能力最佳。本文证明了XCuH3 (X = Ca和Sr)用于储氢装置的可行性,为之后对于钙钛矿型氢化物在储氢方面的研究提供了借鉴。
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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