基于BoltzTrap的MgMH3（M=Mn/Ni）钙钛矿氢化物热电性能与储氢特性DFT研究

《Physchem》：DFT Investigation of the Thermoelectric, Electronic, and Hydrogen Storage Properties of MgMH3 (M = Mn and Ni) Perovskites Using BoltzTrap Ayoub Koufi, Younes Ziat, Hamza Belkhanchi, Charaf Laghlimi, Noureddine Lakouari and Zakaryaa Zarhri

本研究采用FP-LAPW方法与BoltzTrap软件包，系统评估立方结构MgMH3（M=Mn/Ni）的热电输运与储氢潜力，揭示Ni取代提升功率因子至1.96×10?3W/(K2·m)，证实其兼具轻量化储氢（Cwt%>3%）与高温废热回收应用价值。

　　

在全球能源转型加速的背景下，氢能作为清洁载体的高效储存与利用成为核心挑战。尽管氢气在燃料电池中仅产生水副产物，但其低体积密度与高扩散性使传统高压气态、低温液态储氢面临能耗高与安全瓶颈。相比之下，固态金属氢化物凭借可逆吸放氢特性和温和条件优势，成为前沿探索方向。然而，现有材料的吸放氢动力学缓慢、容量不足，且兼具储氢与热电能量转换功能的材料体系匮乏——这正是研究者聚焦ABH₃型钙钛矿氢化物的深层动因。

发表于《Physchem》的这项研究，首次将目光锁定于MgMH₃（M=Mn/Ni）立方钙钛矿体系，试图从原子尺度解构过渡金属元素对材料电子输运与储氢能力的调控机制。团队通过理论模拟连接微观电子结构与宏观热电性能，为开发“储氢-发电”双功能材料提供设计思路，不仅填补了该类氢化物热电性质研究的空白，更延伸了钙钛矿材料在可再生能源装备中的应用场景。

研究采用WIEN2k软件的FP-LAPW（全势线性缀加平面波）框架完成几何优化与能带计算，选取PBE-GGA泛函处理交换关联作用；基于Birch-Murnaghan状态方程拟合能量-体积曲线，获取平衡晶格参数与体弹模量；使用BoltzTrap代码在恒定弛豫时间近似下计算电导率σ、Seebeck系数S等输运系数；布里渊区采样1000 k点确保精度；通过Born准则与Voigt-Reuss-Hill近似评估力学稳定性及模量；依据公式计算质量储氢容量C_wt%。

3.1. 结构性质

晶体结构属立方钙钛矿空间群Pm3m，Mg占据顶角(0,0,0)，过渡金属M（Mn/Ni）位于体心(1/2,1/2,1/2)，H占八面体位点。优化后晶格参数与文献一致，验证计算可靠性。能量-体积曲线最小点对应稳定基态，确认结构可行性。

3.2. 储氢性质

按式(2)计算C_wt%，两化合物值均超3%（MgMnH₃略高），符合轻量化储氢需求，归因于晶体框架中H的配位环境优化。

3.3. 力学性质

立方系Born稳定性判据满足：C₁₁>0、C₁₁-C₁₂>0、C₁₁+2C₁₂>0。MgMnH₃弹性常数更高（C₁₁=634.63 GPa），杨氏模量达228.10 GPa，显更强刚性；两材料B/G比超临界1.75（MgMnH₃为3.10），泊松比v>0.26，具典型延性特征，利于循环应力耐受。

3.4. 热电性质

3.4.1. 电导率

MgMnH₃随温度升至900 K，σ增至0.75×10⁶(Ω·m)^?1；MgNiH₃则从3.60×10⁶降至2.54×10⁶(Ω·m)^?1，源于载流子散射差异。

3.4.2. Seebeck系数

负值指示n型导电，MgNiH₃的|S|更大，高温下仍保持较高温差电动势，适合热电转换。

3.4.3. 功率因子

MgNiH₃在900 K时PF达1.96×10^?3W/(K²·m)，优于MgMnH₃的1.45×10^?3W/(K²·m)。

3.4.4. 热导率

线性升温趋势，900 K时MgMnH₃为57 W/(K·m)，MgNiH₃仅11.50 W/(K·m)，后者声子传输较弱。

3.4.5. 优值因子

900 K时MgMnH₃的zT=0.08，MgNiH₃为0.03；前者300 K即达0.097，适合常温热电应用。

3.5. 电子性质

3.5.1. 能带结构

费米能级处导带价带重叠，能隙0 eV，证实金属特性；Ni-d轨道与H强杂化改变色散，增强载流子迁移。

3.5.2. 态密度

Mn/Ni的d态主导费米能级附近DOS峰，Mg-s与H-s态参与导带形成；MgNiH₃在-2.5 eV处峰更高（8.7 vs. 4.2），电子相互作用更显著。

研究表明，MgMH₃（M=Mn/Ni）立方钙钛矿兼具可观储氢容量与高温热电潜能。MgNiH₃凭借高功率因子和适中热导率，更适合废热回收系统；MgMnH₃则因早期高zT与优异力学稳定性，适配常温器件。成果揭示了过渡金属调控电子输运的机理，为多目标材料设计提供理论基础，推动钙钛矿氢化物向“储能-转换”一体化方向迈进。