衬底对NH3BH3脱氢的影响的第一性原理研究

摘要

随着人类社会的高速发展，科技进步的同时也造成了越来越多的化石能源的消耗。地球上的化石能源一直是人类所用能源的主要来源，然而，对化石能源的过度开发使用造成了化石能源濒临枯竭，现存的化石能源的总量已经不能承受人类的无度索取。所以，寻找清洁无污染的新能源成为当务之急。
　　氢作为很好的能源载体，引起了人们的极大兴趣。氢的存储问题是氢燃料电池汽车的推广应用面临的最大问题之一。为了解决这个问题，人们已经研究了多种储氢材料。其中，NH3BH3是非常具有前景的储氢材料之一。
　　本文运用第一性原理方法针对衬底对于储氢材料 NH3BH3的脱氢的作用进行了一系列的研究工作，使用了不同的衬底来进行分析。
　　第一章，首先介绍了当前人类面临能源危机问题。环境污染严重，寻求清洁无污染的新能源成为当务之急。作为新型能源载体——氢，引起了人们的极大兴趣。如何有效的储存氢气是氢燃料电池汽车的推广应用中亟待解决的最大问题之一。接着对于当前的储存氢气的方法进行了简单的概括。其中，最具有发展前景的储氢材料之一NH3BH3吸引了越来越多人的注意力。关于NH3BH3的脱氢反应的研究工作已经进行了很多，本文中我们要用第一性原理方法来分析研究衬底对于NH3BH3的脱氢的影响作用。
　　第二章，阐述了本文所用的主要方法——基于密度泛函理论的第一性原理计算，以及所用到的一些理论知识基础和计算软件。
　　第三章，从不加衬底的单独NH3BH3的脱氢反应和加了不同结构的石墨烯衬底的NH3BH3的脱氢反应进行对比分析，找出衬底对于NH3BH3的脱氢的影响作用。不加衬底的NH3BH3的脱氢势垒为1.67 eV，加了衬底之后，脱氢势垒发生了明显的变化。当完整的石墨烯，有一个空位缺陷的石墨烯，一个 B原子取代的石墨烯，一个N原子取代的石墨烯，585双空位石墨烯，5577单空位重组石墨烯作衬底时，脱氢势垒分别为0.68 eV，0.75 eV，1.28 eV，1.48 eV，1.66 eV，0.57 eV。当衬底是完整的石墨烯，有一个空位的石墨烯，5577单空位重组的石墨烯时，它们的脱氢势垒要比B-N键断裂能低，也就是说，反应产物中生成H2要比 NH3容易一些。通过分析原子所带电荷，可以发现，从衬底到 NH3BH3分子之间的电荷转移会使得脱氢势垒降低，但是，电荷转移的变化量似乎对于脱氢势垒没有什么影响作用。此外，脱氢势垒与吸附能之间还存在着一个趋势，那就是脱氢势垒随着吸附能的降低而增加。
　　第四章，接着使用第一性原理对于Mg3N2(111)，Fe(111)，氢钝化的石墨烯作衬底时 NH3BH3的脱氢受到的衬底的影响情况进行研究分析，考虑了 van der Waals作用以及不同的交换关联势对于上一章得出的结论的影响。同样是从键长，电荷，脱氢势垒，B-N键断裂能，吸附能这几个物理量来得出衬底对于NH3BH3的脱氢的影响作用。
　　第五章，总结全文。作为新型能源载体，氢具有很多优势。对于储氢材料的研究工作是非常具有意义并具有前景的，经过人们的不懈努力，氢燃料电池汽车不再遥远。

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1 绪论

1.1 新型能源载体-氢

1.2 氢燃料电池汽车

1.3 储氢材料的现状

1.4 非常有前景的储氢材料NH3BH3

1.5 本文的主要研究内容

2 理论模型与方法

2.1 第一性原理计算方法

2.2 密度泛函理论

2.3 计算软件——VASP

3 石墨烯作衬底时NH3BH3脱氢过程中衬底的作用

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 结果与讨论

4 采用其它衬底时NH3BH3脱氢过程中衬底的作用

4.1 引言

4.2 计算细节

4.3 结果与讨论

5 总结和展望

参考文献

硕士期间的研究成果

致谢