Mg17Al12合金储氢机理的第一性原理计算

摘要

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了氢在Mg17Al12(001)表面的吸附、解离、扩散过程,以及第三元素替代掺杂对Mg17Al12合金性能的影响,以期揭示Mg17Al12合金的储氢机理,为Mg17Al12合金的实际应用提供一定的理论参考。主要结论如下:
　　1、研究了氢气分子在 Mg17Al12(001)表面的吸附、解离过程。讨论了氢气分子在 Mg17Al12(001)表面吸附的12种结构。计算结果表明,氢气分子最可能的吸附方式是以垂直于表面的形式,吸附在Mg17Al12(001)表面的Mg-Mg桥位,对应的氢的吸附能为0.145eV。氢气分子解离形成的两个氢原子在Mg17Al12(001)表面最佳的吸附位是Mg原子顶位与Mg-Mg桥位,对应的氢的吸附能为0.36eV。对氢气分子在Mg17Al12(001)表面的解离进行过渡态搜索计算,结果表明,氢气分子在Mg17Al12(001)表面的解离需跨越约0.92eV的势垒。氢气分子解离的过程中,H-H键长不断变长直至断裂,氢原子逐渐向表层的Mg原子靠拢。
　　2、研究了氢原子在 Mg17Al12(001)表面的吸附、扩散情况。讨论了氢原子在Mg17Al12(001)表面吸附的6种结构,计算结果表明,氢原子可以稳定吸附在 Mg17Al12(001)表面的Mg-Mg桥位,此时氢的吸附能为1.12eV。对吸氢后体系的电子结构分析表明,被吸附的氢原子与表层的Mg原子间有较强的相互作用,同时表层的近邻Mg-Mg原子之间的相互作用也增强,Mg-Mg键能增加,Mg-Mg距离缩短。此外对氢原子在Mg17Al12(001)表面的扩散进行过渡态搜索计算发现,氢原子从合金表面扩散进入合金内部需要克服的势垒为2.31eV。
　　3、研究了第三元素替代掺杂对Mg17Al12合金的影响。计算结果表明,元素的替代提高了合金的稳定性,且替代后的Mg33Al24-X(X=Ni,Ti,V)晶胞发生了一定程度的收缩。其中,Ni元素的掺杂对合金的稳定性的影响最大。对Mg33Al24-Ni的计算结果表明,Ni元素趋向于置换Mg17Al12合金中的位于Mg-24g位置的Mg原子。研究多个Ni原子掺杂Mg17Al12体系,结果显示随着掺杂浓度的增加,Mg34-xAl24Nix(x=1,2,4,6,8)合金的晶胞体积逐渐减小,掺杂后的体系的生成焓减小,合金的稳定性提高。

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第一章 绪论

1.1 氢能的研究背景及意义

1.2 镁基储氢合金

1.3 本文研究的工作

第二章 氢气分子在Mg17Al12（001）表面的吸附及解离

2.1 引言

2.2 计算模型及方法

2.3 计算结果及分析

2.4 小结

第三章 氢在Mg17Al12(001)表面吸附的第一性原理研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 晶体结构及模型

3.4 计算结果与讨论

3.5 小结

第四章 元素掺杂对Mg17Al12晶体的电子结构的影响

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 Ni掺杂的Mg17Al12体系

4.4不同掺杂浓度的Mg34-xAl24Nix(x=1，2，4，6，8)合金

4.5 不同掺杂体系的Mg17Al12合金

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 氢在Mg17Al12(001)表面的吸附、解离与扩散

5.2 元素掺杂对Mg17Al12晶体的电子结构的影响

5.3 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文