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Understanding anharmonic effects on hydrogen desorption characteristics of MgnH2n nanoclusters by ab initio trained deep neural network

非谐性 纳米团簇 从头算 氢化镁 焓 氢气储存 粘结长度 氢键 解吸 热力学 氢 结合能 材料科学 从头算量子化学方法 氢化物 物理化学 化学 原子物理学 纳米技术 物理 量子力学 吸附 分子
作者
Andrea Pedrielli,Paolo E. Trevisanutto,Lorenzo Monacelli,Giovanni Garberoglio,Nicola M. Pugno,Simone Taioli
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:14 (14): 5589-5599 被引量:11
标识
DOI:10.1039/d1nr08359g
摘要

Magnesium hydride (MgH2) has been widely studied for effective hydrogen storage. However, its bulk desorption temperature (553 K) is deemed too high for practical applications. Besides doping, a strategy to decrease such reaction energy for releasing hydrogen is the use of MgH2-based nanoparticles (NPs). Here, we investigate first the thermodynamic properties of MgnH2n NPs (n < 10) from first-principles, in particular by assessing the anharmonic effects on the enthalpy, entropy and thermal expansion by means of the stochastic self consistent harmonic approximation (SSCHA). This method goes beyond previous approaches, typically based on molecular mechanics and the quasi-harmonic approximation, allowing the ab initio calculation of the fully-anharmonic free energy. We find an almost linear dependence on temperature of the interatomic bond lengths - with a relative variation of few percent over 300 K - alongside with a bond distance decrease of the Mg-H bonds. In order to increase the size of MgnH2n NPs toward experiments of hydrogen desorption we devise a computationally effective machine learning model trained to accurately determine the forces and total energies (i.e. the potential energy surfaces), integrating the latter with the SSCHA model to fully include the anharmonic effects. We find a significative decrease of the H-desorption temperature for sub-nanometric clusters MgnH2n with n ≤ 10, with a non-negligible, although little effect due to anharmonicities (up to 10%).

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