Mg2Ni基合金储氢机理的第一性原理研究

摘要

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波赝势(PW-PP)方法，对Mg2Ni1-xMx(M=Mn,Fe，Co，Ni，Cu，x=0.16667)和Mg2-xAlxNi(x=0,0.125,0.25)合金的电子结构和热力学稳定性进行研究。以期揭示Mg2Ni基合金的储氢机理与电子结构的关系，为制备高性能储氢材料提供一定的理论参考。
　　 主要结论如下：
　　 1、研究了Mg2Nii-xMx(M=Mn，Fe，Co，Ni，Cu，x=0.16667)合金及其氢化物Mg2Ni1-xMxH4的电子结构和热力学稳定性。计算结果表明：Mg2NiH、Mg2Ni1-xMx的晶胞参数与实验值符合得较好。对Mg2Ni1-xMxH4电子结构分析发现：氢化物中的Ni-H和M-H键为共价键、Mg-H键为离子键，且Ni-H和M-H键的相互作用强于Mg-H键。Mn，Fe，Co的部分替代对Ni-H键的相互作用影响较小，而Cu的替代则减弱了Ni-H键的相互作用，这可能是Cu替代后氢化物结构稳定性降低的一个原因。计算了Mg2Ni0.75M0.25H4(M=Mn，Fe，Co，Ni，Cu)的生成焓，分别为-57.7kJ/mol、-61.5kJ/mol-61.4kJ/mol、-63.4kJ/mol和-41.6kJ/mol，与实验值符合得较好。
　　 2、计算分析了Mg2-xAlxNi合金其及对应的氢化物Mg2-xAlxNiH4(x=0，0.125，0.25)的晶体结构和储氢性能。结果表明：随着Al含量的增加，Mg2Ni合金晶胞体积会逐渐减小，并且合金中的Ni-Ni的相互作用也逐渐减弱。对Mg2.xAlxNiH(x=0，0.125，0.25)的研究发现，氢化物中的Mg-H和Al-H相互作用小于Ni-H的相互作用。随着Al含量的增加，氢化物中Ni-H键的相互作用逐渐减弱。Mg2-xAlxNiH4(x=0，0.125，0.25)的生成焓计算结果表明，其生成焓分别为-63.4kJ/mol，-51.6kJ/mol、-43.6kJ/mol，与实验值符合得较好。因此，Al的替代提高了Mg2Ni合金的吸放氢动力性能。
　　 3、研究了氢在Mg2Ni(001)面的吸附情况。计算结果表明：在Mg2Ni合金的低米勒指数面中，合金的(001)面的表面能最低。在Mg2Ni(001)表面中，氢原子最稳定的吸附于Ni-Ni桥位，吸附能为-0.64eV。当Mg2Ni合金吸收少量的氢气时，合金中的Mg-Ni键会变短，而Mg-Mg的键长则由原来的3.01(A)增加到3.76(A)。其和实验测定结果相吻合。