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Insight into the effect of Mg-substitution on the electronic, optoelectronic, and hydrogen storage density of NbH 2 fluorite structured: a DFT study

萤石 替代(逻辑) 电介质 密度泛函理论 光电子学 材料科学 化学 计算化学 计算机科学 冶金 程序设计语言
作者
Godwin O. Igomah,F Nelson,Fadhil Faez Sead,Musa Runde,Ismail Hossain,Ayi A. Ayi
出处
期刊:RSC Advances [Royal Society of Chemistry]
卷期号:15 (33): 27113-27127 被引量:3
标识
DOI:10.1039/d5ra03949e
摘要

In the quest for multifunctional hydrogen storage materials, this study investigates the structural, electronic, and optical properties of NbH2, MgH2, and a series of Mg-substituted NbH2 compounds (Mg-NbH2, Mg2-NbH2, and Mg3-NbH2) using first-principles density functional theory (DFT) based on GGA/PBE and HSE03 methods. The motivation stems from the need to overcome the well-known limitations of MgH2, particularly its high desorption temperature and poor reversibility, by introducing Mg into the NbH2 fluorite framework. Structural optimization revealed a fluorite-type geometry, with Mg substitution inducing moderate lattice distortion and increasing unit cell volume from 97.22 to 103.45 Å3. The Mg-NbH2 system achieved a high density of 10.78 g cm-3 and exhibited a favorable hydrogen gravimetric capacity of 3.33 wt%, offering a promising trade-off between storage potential and structural stability. Electronic structure analysis confirmed metallicity across all substituted systems, while MgH2 retained a non-metallic nature. A progressive decrease in total density of states was observed from 7.0 (NbH2) to 2.0 (Mg3-NbH2), suggesting tunable electronic characteristics. Optical studies revealed that Mg-NbH2 displayed the strongest dielectric response (ε 2 ≈ 85), the highest refractive index (n 1 ≈ 3.2), and reduced optical losses compared to its parent compounds. Notably, it retained a high optical conductivity (∼13 S m-1) and strong absorption in the visible range, making it a potential candidate for photocatalytic and optoelectronic applications. These results demonstrate that Mg substitution into NbH2 significantly enhances its multifunctional behavior, offering a viable pathway to improve hydride-based materials for advanced hydrogen storage and light-harvesting technologies.

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