碱土金属氢化物Ca(BH4)2高压相变的第一性原理研究

摘要

随着全球环境污染和化石燃料资源日趋紧张,寻找清洁、无污染的新能源材料,已成为世界各国科学家关注的焦点。氢由于其在物理和化学方面的诸多优势,而被视作化石燃料的最佳替代。复杂金属氢化物的储氢密度高,因而具有广阔的应用前景。在复杂金属氢化物中,由于Ca(BH4)2具有11.6 wt.％的储氢量而被广泛关注和研究。
　　近年来,在实验和理论方面对Ca(BH4)2的晶体结构和物理性质等已做了大量研究,但是对其高压行为的研究仍然较少。本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,系统讨论了高压下三元碱土金属氢化物Ca(BH4)2的相变行为,预测其在高压下产生的新相,以及相变产生的物理机制,并进一步分析新相中氢解离发生的条件。本课题的研究为发现探索三元碱土金属氢化物的新相和探索其高压相的储氢及氢的解离机制,提供参考数据和理论指导。
　　研究结果表明,在压强为3.72 GPa时,Ca(BH4)2由α-Ca(BH4)2相(空间群Fddd)转变到β-Ca(BH4)2相,其β-Ca(BH4)2相的空间群为P4,相变时发生4.6%的体积坍塌,为一级相变。计算高压相β-Ca(BH4)2声子谱表明该相热动力学稳定。电子态密度研究表明,α-Ca(BH4)2和β-Ca(BH4)2相均为宽带隙的绝缘体,B与H原子间形成共价键。探究相变机制发现,在3.72 GPa时α-Ca(BH4)2相出现声子软化,表明α-Ca(BH4)2转变到β-Ca(BH4)2与声子软化有关。根据电荷转移和键的重叠布居分析,发现在α-Ca(BH4)2和β-Ca(BH4)2相中,电荷主要由Ca2+向[BH4]单元转移，Ca2+与[BH4]单元之间存在离子相互作用,β-Ca(BH4)2相比α-Ca(BH4)2相的氢解离需要更高的能量。

目录

声明

第一章 引 言

1.2 高压科学与技术

1.3 三元碱金属氢化物Ca(BH4)2研究进展

1.4 本研究的意义及主要工作

第二章 理论基础

2.1 密度泛函理论

2.1.1 Hohenberg-Kohn 定理

2.1.2 Kohn-Sham 方程

2.1.3 交换关联近似

2.2 布洛赫(Blo ch)定理

2.3 赝势方法

2.4 晶格动力学

2.4.1 动力学方程

2.4.2 线性响应理论

第三章 第一性原理计算

3.2 K 空间取样规则

3.3 计算的收敛,截断动能和有限基修正

第四章 结果与分析

4.2 Ca(BH4)2的高压相变研究

4.2.1 Ca(BH4)2的高压结构

4.2.2 Ca(BH4)2的声子谱及声子态密度

4.2.3 Ca(BH4)2高压下电子结构

4.2.4 Ca(BH4)2密立根布居分析

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文目录