哈桑·米亚博士（Md. Hasan Mia）| 拉沙杜扎曼博士（Md. Rasheduzzaman）| 奥马尔·阿尔萨尔米（Omar Alsalmi）| 扎希德·哈桑博士（Md. Zahid Hasan）
实现安全、稳定且体积效率高的氢储存仍然是固态能源材料面临的核心挑战，尤其是对于那些通常具有较差可逆性和热不稳定性的轻质氢化物而言。在这项研究中，我们探讨了CsAH3（A = Fe, Cu, Tl）钙钛矿氢化物这一类重阳离子氢化物，这类氢化物更注重体积效率、热力学稳定性和多功能性，而非仅关注重量性能。通过密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT），我们系统地分析了它们的氢储存特性、结构稳定性、热机械行为、电子结构以及光学响应。计算结果表明，随着阳离子质量的增加，其重量氢储存容量呈单调递减趋势，这反映了基于Cs的晶格存在内在的质量归一化限制。相比之下，所有化合物都表现出较高的体积氢密度（51.7–82.4 g/L），超过了美国能源部2025年的目标。负的形成能、不存在虚声子模式以及在300 K下的AIMD（Ab initio Molecular Dynamics）稳定性证实了其强大的热力学和动力学稳定性。解吸温度表明CsFeH3具有很强的氢结合能力，而CsCuH3和CsTlH3则更接近实际应用的热力学窗口。电子结构分析显示整个系列材料均表现出金属性，使其在红外到可见光区域具有以自由载流子为主的光学响应。这些特性表明，CsAH3（A = Fe, Cu, Tl）氢化物不适合用于轻量级移动存储，但在固定式氢储存、混合热辅助或光辅助释放系统以及集成光电-存储应用中具有巨大潜力。本研究确立了基于Cs的钙钛矿氢化物作为稳健且多功能氢存储材料的重要性，并强调了除了重量容量之外，还需考虑特定应用下的性能指标。
全球人口的增长和工业扩张推动了能源需求的增加，而依赖于化石燃料（作为有限资源且会排放温室气体并危害健康）是不可持续的。为了减少依赖并减轻影响，能源政策越来越重视太阳能、风能、水能和地热能等清洁、可再生资源[1]。随着化石燃料导致的气候变化成本上升，世界正转向可再生能源，其中氢能成为关键焦点。氢能具有零排放、高能量密度和高效等优点，为发电厂和交通工具提供了清洁的替代方案，从而减少了化石燃料的依赖和气候风险。尽管氢能在便携设备和运输领域的应用前景广阔，但其实际应用仍取决于高效的生产、运输和储存技术。虽然存在气体、液体和固态储存方法，但稳定氢气在储存介质中的存在仍是一个关键挑战[2]。在固态储存选项中，钙钛矿型氢化物正受到积极研究，被视为有前景的候选材料[3]。
为了充分发挥氢能作为清洁能源的潜力，储存介质必须能够安全地将氢以紧凑、轻量的形式储存。除了传统方法外，氢化物钙钛矿因其安全性、高储存密度和可逆解吸特性而受到关注。最近对ABH3化合物（A = 碱金属/碱土金属（Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba等）；B = 过渡金属）的研究显示了其热力学、机械和动态稳定性，凸显了它们作为新型固态氢储存材料的潜力[[4], [5], [6]]。因此，基于主族元素和过渡金属元素的钙钛矿氢化物成为极具吸引力的氢储存候选材料。
近年来，过渡金属钙钛矿型氢化物引起了广泛的研究兴趣。Surucu等人[7]报告称NaXH3（X = Mn, Fe, Co）化合物在机械、热力学和动力学上均表现出稳定性，氢储存容量分别为3.74%、3.70%和3.57% wt%。对XInH3（X = Rb, Cs）的DFT研究证实了其热力学稳定性，储存容量为1.45% wt%，而XGaH3（X = Rb, Cs, Fr）的结构稳定，储存容量为2.5%、2.0%和2.1% wt%[8]。Rafique等人[10]发现XCoH3（X = Mn, Sr, Cd, In, Sn）具有金属性，储存容量在1.68%至2.59% wt%之间。Siddique等人[11]展示了AeVH3（Ae = Be, Mg, Ca, Sr）的结构和机械稳定性，储存容量分别为4.6%、3.7%、3.1%和2.0% wt%。同样，Gencer等人[12]确认了LiNiH3、NaNiH3和KNiH3的动态和机械稳定性，储存容量分别为4.40%、3.57%和3.30% wt%。Candan等人[13]强调了MgFeH3和MgCoH3的金属性和动力学稳定性，Raza等人[14]指出在压力下MgFeH3的储存容量为3.64% wt%。Garara等人[15]进一步报告了MgCoH3的热力学和动态稳定性，未受力状态下的储存容量为3.505% wt%，受力状态下的储存容量为3.483% wt%。Azeem等人[16]研究了CsXH3（X = Co, Zn），证实了其氢储存潜力，重量储存容量分别为2.82% wt%和3.09% wt%。还有其他几种具有类似性质的氢化物钙钛矿也得到了研究[[17], [18], [19], [20]]。
这些研究激励我们探索具有更高氢储存容量的新型氢化物钙钛矿。钙钛矿氢化物因其高吸附能力、热稳定性和化学稳定性以及低成本生产而特别有吸引力。据我们所知，此前没有理论或实验研究探讨过CsAH3（A = Fe, Cu, Tl）的氢储存和物理性质。本研究超越了早期主要关注轻元素氢化物或孤立储存指标的DFT研究，对重阳离子钙钛矿氢化物进行了系统和比较分析。通过统一的计算框架，我们分析了CsFeH3、CsCuH3和CsTlH3，阐明了重量容量、体积密度、热力学稳定性和多功能性之间的权衡——这是针对这类材料的首次报道。新颖之处在于明确将晶体化学与功能性能联系起来，展示了B位点替代（Fe, Cu, Tl）如何影响晶格几何结构、氢结合强度、解吸行为、机械响应和磁性。通过结合容差因子方法（tolerance-factor approach）验证了结构可行性，超越了以往研究中常用的基于能量的稳定性评估方法。通过引入声子色散和从头算分子动力学（ab initio molecular dynamics），本研究建立了动态和有限温度下的稳定性，解决了许多早期DFT研究的关键局限性。
本研究的创新之处在于对基于Cs的钙钛矿氢化物（CsAH3，A = Fe, Cu, Tl）进行了系统研究，这是首次将氢储存、磁性质、热机械性质和光电性质结合在统一的DFT和基于DFT的AIMD框架内进行分析。与许多依赖表面吸附的二维材料不同，这些化合物在体相晶格中储存氢，从而实现了更高的体积氢密度、动态稳定性和热稳定性，以及与固定式和混合氢能应用相关的多功能性[21]。在这项工作中，我们首次使用密度泛函理论（DFT）研究了CsAH3（A = Fe, Cu, Tl）钙钛矿型氢化物的氢储存潜力和物理性质。通过分析结构、光电、热力学、磁性和分子动力学特性，评估了它们作为固态氢储存材料的适用性。这些材料展示了高效的氢储存能力以及良好的热力学稳定性，使得在最佳温度下实现可控释放成为可能。这些特性使它们成为推动可持续和清洁能源技术发展的有前景的候选材料。尽管特定应用还需要进一步优化，但目前的发现突显了CsAH3（A = Fe, Cu, Tl）氢化物的潜力，并可能激发科学界的理论和实验探索。本文的结构如下：第1节介绍材料和研究目标；第2节概述计算方法；第3节展示结果和讨论；第4节总结研究。
计算细节
使用密度泛函理论（DFT）和基于DFT的从头算分子动力学（AIMD，基于Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP)代码[22]）研究了CsAH3（A = Fe, Cu, Tl）钙钛矿的结构、氢储存、热机械、电子、光学和分子性质。交换和相关泛函采用了广义梯度近似Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE-GGA）[23]。在密度泛函理论（DFT）框架内，
结构特征
氢储存材料对于推动清洁能源技术至关重要，而钙钛矿型氢化物由于其可调的结构和热力学性质而成为有前景的候选材料。其中，具有通用公式ABX3的立方钙钛矿氢化物提供了稳定的结构和有利于氢分子移动的结合环境。在这种结构中，B位点阳离子（Fe, Cu, Tl）和氢阴离子形成角共享的BX6八面体，而A位点则被
结论
本研究采用第一性原理密度泛函理论（DFT）系统分析了CsAH3（A = Fe, Cu, Tl）氢化物的氢储存、机械、热和光电性质。从结构和结合的角度来看，CsFeH3表现出最强的金属-氢相互作用，体现在其最小的晶格参数、最高的体模量、最低的形成能和最高的德拜温度上。较短的Fe–H键长和较强的杂化作用
CRediT作者贡献声明
哈桑·米亚博士（Md. Hasan Mia）：撰写 – 原稿撰写、验证、方法论指导、数据整理、概念构思。
拉沙杜扎曼博士（Md. Rasheduzzaman）：撰写 – 审稿与编辑、验证、形式分析。
奥马尔·阿尔萨尔米（Omar Alsalmi）：撰写 – 审稿与编辑、验证、形式分析。
扎希德·哈桑博士（Md. Zahid Hasan）：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、形式分析。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：扎希德·哈桑博士的报告由国际伊斯兰大学吉大港分校提供支持。如果还有其他作者，他们声明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
作者感谢国际伊斯兰大学吉大港分校电气电子与工程系的材料研究与模拟实验室提供的计算设施支持，该大学位于吉大港-4358，孟加拉国。
