基于碱金属（Li/Na/K）的SH3钙钛矿氢化物在氢储存、光电子、机械、结构以及热力学方面的特性，对实现可持续能源具有重要意义

《Materials Chemistry and Physics》：The hydrogen storage, optoelectronic, mechanical, structural and thermodynamic attributes of alkali based (Li/Na/K)SH3 perovskite hydrides for sustainable energies

本文通过FP-LAPW方法系统研究了Li、Na、K基SH3相古老石棉结构氢化物的物理特性与储氢能力，发现其机械和热力学稳定性良好，电子属性呈金属特性，光学性能在紫外区优异，其中LiSH3储氢量最高达6.66 wt%，表明这些材料是高效氢存储候选材料。

　　

Hudabia Murtaza|Saif M.H. Qaid|Quratul Ain|Hamid M. Ghaithan|Mahvish Shaheen|Muath Alkadi|Suliman Mubarak Alshammari|Junaid Munir|Abdullah S. Aldwayyan

巴基斯坦拉合尔管理和技术大学物理系

摘要

在本研究中，我们利用FP-LAPW方法评估了基于碱金属（Li/Na/K）的SH₃钙钛矿氢化物的物理特性和氢储存能力。通过优化的体积图、耐受因子和形成能等数据表明，所研究的化合物在各方面都表现出良好的稳定性。机械稳定性以及对外部抵抗力的耐受性通过弹性常数C₁₁、C₁₂和C₄₄进行了评估。研究结果表明，这些钙钛矿氢化物具有脆性。计算出的熔化温度表明这些材料在相变过程中具有较高的耐受性和韧性。我们测量了(Li/Na/K)SH₃在[100]、[110]和[111]晶向上的声速。电子属性分析显示所有氢化物均具有金属特性。所研究化合物在紫外区域表现出优异的吸收性能，这使其成为开发光电设备的理想材料。通过重量法和体积法分析了它们的氢储存能力，计算得出LiSH₃、NaSH₃和KSH₃的氢储存能力分别为6.66 wt%、4.92 wt%和3.89 wt%。这些出色的氢储存能力使它们成为氢储存的理想候选材料。

引言

目前满足全球能源需求的主要能源仍来自化石燃料[1]。随着化石燃料燃烧产生的CO₂气体和一氧化碳问题日益严重，能源危机成为当今研究领域的热点[2,3]。世界人口的增长和能源需求的增加使得寻找具有大储存能力的清洁、可持续能源变得至关重要[4]。许多材料正在被研究以产生可维护和清洁的能源[5]。然而，氢作为一种重要的可持续能源，正在被密集研究，可用于驱动现代设备，如氢燃料电池汽车[6,7]。研究人员正在氢储存领域努力寻找高效能源解决方案。由于氢具有清洁、可适应的特性，它有望替代化石燃料，从而减少能源生产和使用对环境的影响[8,9]。由于氢燃烧清洁、重量轻、不污染，并且可以从其他可再生能源大量生产，因此被视为未来电力行业的燃料替代品[10]。尽管氢能源生产有潜力取代化石燃料，但其商业化和储存仍面临挑战[11]。氢系统在生产和储存方面还存在其他问题，导致成本较高。遗憾的是，目前可用的氢基础设施仍然有限[12]。然而，研究人员最近开发了一种新的能源效率方法：将氢储存在固态分子中，并在需要时释放[13]。在这方面，钙钛矿氢化物发挥了关键作用，已被证明能够高效储存氢[14]。根据文献分析，许多碱土金属钙钛矿氢化物表现出优异的氢储存能力和稳定性，使其成为储存氢的理想选择。钙钛矿材料因其优越的性能而在多种应用中展现出巨大潜力[15]。初步研究表明，基于碱金属的金属氢化物ZAlH₃（Z = K、Rb和Cs）具有整体机械稳定性，其氢储存比率较高，适合用于氢储存[16]。基于铟的ZInH₃（Z = Li、K）也经过了研究，LiInH₃和KInH₃的氢储存能力分别为2.42 wt%和1.92 wt%，表明LiInH₃值得考虑用于氢储存[17]。合成了多功能复合钙钛矿Mn_0.7Cu_0.3Fe₂O₄和La_0.90Br_0.10FeO₃，交流电导率分析显示所有组分的导电区域不同，并且极化增强[18]。通过脉冲传输技术研究了Mn–Cr铁氧体的弹性特性[19]。对ZaXH₃（Z = Mn、Fe、Co）的第一性原理分析表明，其在储存超过3 wt%的氢时具有完全的动力学稳定性[20]。XNiH₃（X = K、Na、Li）的研究表明它们可用于燃料电池技术[21]。XGaH₃（X = Li、K）[22]、ZPtH₃（Z = Li、Na、K、Rb）[23]、ZVH₃（Z = Na、K、Rb、Cs）[24]、KXH₃（X = Ca、Sc、Ti、Ni）[25]、ZFeH₃（Z = Ca、Sr、Ba）[26]、CsXH₃（X = Co、Zn）[27]、XMnH₃（X = Ba、Ca）[28]、AMgH₃（A = Be、Ca）[29]、ZCoH₃（Z = In、Mn、Sr、Sn、Cd）[30]和MgXH₃（X = Cr、Fe、Mn）[31]的报道表明它们具有较高的氢储存能力，表明这些材料适合用于氢储存。NaXH₃（X = Ti、Cu）[32]、KXH₃（X = S、Se）[33]和LiXH₃（X = S、Se）[34]也被研究作为新型氢储存材料。高效、安全和经济的氢储存仍然是其广泛应用的重大障碍。为了寻找高效的可持续氢储存解决方案，研究人员仍在探索各种新材料，这些材料应具有低材料降解性、保证安全性并提供较高的能量密度。在本研究中，我们使用Wien2K代码和密度泛函理论，研究了基于碱金属的钙钛矿氢化物XSH₃（X = Li、Na、K）的结构、电学、机械和氢储存特性。尽管之前的研究中已经研究了类似的氢化物系统，但目前还没有一个全面且比较性的研究集中在单一计算框架内探讨A位点（Li、Na和K）的替代。本研究旨在填补这一空白，阐明碱金属在A位点的变化如何影响稳定性、键合特性和氢储存性能，从而更深入地了解这些钙钛矿氢化物的组成-性能关系。

计算分析

DFT模拟常用于计算复杂固体和分子的电子结构，因为它们更容易执行，并且基于电子密度而不是具有大量电子的波函数来处理交换相关性问题[35]。在本手稿中，我们采用了基于DFT的模拟方法，通过实施FP-LAPW技术来了解碱土（Li/Na/K）SH₃氢化物的物理特性[36]。选择球谐函数作为基础

结构研究

由碱土金属组成的钙钛矿氢化物具有有趣的结构特性，使其成为高效储存氢的可行选择[37]。在碱土金属阳离子和阴离子配位形成的钙钛矿晶格中，氢原子占据八面体位置。碱土钙钛矿氢化物的通用公式为ABH₃，其中“A”元素通常来自碱土族，“B”元素可以有多种

结论

近年来，氢储存材料受到了全球关注，因为这些材料通常提供高能量密度，使其成为长期和大规模能源储存的理想选择。在本手稿中，我们使用嵌入Wien2K代码的FP-LAPW方法分析了(Li/Na/K)SH₃的物理特性。这些基于碱金属的钙钛矿表现出良好的结构和热力学稳定性。机械性能表明

CRediT作者贡献声明

Hudabia Murtaza：撰写——初稿。Saif M.H. Qaid：撰写——初稿。Quratul Ain：软件支持。Hamid M. Ghaithan：软件支持。Mahvish Shaheen：软件支持。Muath Alkadi：软件支持。Suliman Mubarak Alshammari：方法论、软件支持。Junaid Munir：指导。Abdullah S. Aldwayyan：方法论支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了沙特阿拉伯利雅得沙特国王大学的持续研究资助计划（ORF-2026-445）的财政支持。