氫化鎂（MgH2）作為一種資源豐富且具有高儲(chǔ)氫容量的固態(tài)儲(chǔ)氫材料，被認(rèn)為是未來儲(chǔ)氫材料最佳候選之一。但鎂基儲(chǔ)氫材料體系發(fā)現(xiàn)至今已有50余年，其材料性能依然不能滿足美國(guó)能源部(US-DOE)所設(shè)定的使用目標(biāo)。所以亟需開發(fā)新型的固態(tài)儲(chǔ)氫材料，而這不僅需要對(duì)固態(tài)氫化物的脫氫機(jī)理有全面的了解，更需要準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方法對(duì)材料進(jìn)行快速篩選。過渡態(tài)搜索和動(dòng)力學(xué)計(jì)算對(duì)于理解和設(shè)計(jì)高性能固態(tài)儲(chǔ)氫材料至關(guān)重要，填補(bǔ)了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)技術(shù)無法測(cè)量的空白。然而，這些分析方法在計(jì)算中是十分昂貴且耗時(shí)的。迫切需要尋找能夠快速并準(zhǔn)確預(yù)測(cè)脫氫能壘的描述符，加快對(duì)儲(chǔ)氫材料動(dòng)力學(xué)性能的預(yù)測(cè)。
近日，華北電力大學(xué)楊維結(jié)教授同日本東北大學(xué)李昊教授合作，以Mg-H鍵強(qiáng)（-ICOHP）為引線，結(jié)合氫原子間距與鄰域化學(xué)環(huán)境，構(gòu)建了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的用以描述和預(yù)測(cè)固態(tài)儲(chǔ)氫材料MgH2脫氫動(dòng)力學(xué)性能的描述符模型。
研究發(fā)現(xiàn)，參與反應(yīng)的H原子所構(gòu)成的兩個(gè)最強(qiáng)Mg-H鍵成為決定脫氫能壘主要因素之一。此外，在描述符搜索過程中，使用了反應(yīng)區(qū)域內(nèi)H空位的數(shù)量以及電負(fù)性環(huán)境構(gòu)建了H空位和電負(fù)性對(duì)脫氫能壘的影響系數(shù)，用以快速描述反應(yīng)區(qū)域的化學(xué)環(huán)境。這不僅提高了描述符的準(zhǔn)確性，而且進(jìn)一步揭示了表面H空位及電負(fù)性影響能壘的機(jī)制和規(guī)律。不僅如此，借由原子碰撞理論與宏觀中的胡克定律啟發(fā)，為模型加入H原子反應(yīng)位移以加強(qiáng)模型對(duì)于脫氫反應(yīng)的描述能力。 文章使用密度泛函理論（DFT）計(jì)算得到的25組脫氫數(shù)據(jù)對(duì)描述符模型進(jìn)行構(gòu)建，其中包含不同氫空位、不同摻雜金屬以及不同參與反應(yīng)H原子的過渡態(tài)搜索數(shù)據(jù)。并使用三組樣本外數(shù)據(jù)對(duì)描述符模型進(jìn)行測(cè)試，描述符預(yù)測(cè)誤差分別僅為0.04、0.11和0.09 eV。此外，值得注意的是基于描述符的預(yù)測(cè)不僅與DFT的結(jié)果精確匹配，與金屬摻雜實(shí)驗(yàn)中觀察到的MgH2脫氫的溫度也表現(xiàn)出驚人的一致性。而進(jìn)一步通過模型推測(cè)，通過某些高電負(fù)性4d和5d過渡金屬摻雜和表面結(jié)構(gòu)處理工藝，可能會(huì)使脫氫溫度進(jìn)一步降低，以符合US-DOE設(shè)定的溫度標(biāo)準(zhǔn)。 此外，由于模型變量與鎂元素的無關(guān)性，使該公式能夠通過快速重新校準(zhǔn)并適用與各種金屬氫化物。這項(xiàng)研究將有助于發(fā)現(xiàn)新型金屬氫化物復(fù)合材料并為固態(tài)儲(chǔ)氫改性提出新的解決方案。 論文信息 Picturing the Gap Between the Performance and US-DOE's Hydrogen Storage Target: A Data-Driven Model for MgH2 Dehydrogenation Chaoqun Li, Prof. Weijie Yang, Hao Liu, Xinyuan Liu, Xiujing Xing, Zhengyang Gao, Shuai Dong, Prof. Hao Li 文章的第一作者，李超群，是由楊維結(jié)教授和李昊教授聯(lián)合培養(yǎng)的碩士研究生（現(xiàn)為復(fù)旦大學(xué)博士研究生）。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202320151
