氟和钛共同掺杂对NaMgH放氢性能的影响

摘要

本文采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波赝势(PW-PP)方法，探讨了Ti阳离子与F阴离子共同掺杂对氢化物NaMgH3放氢性能影响的内在机理。在F阴离子掺杂替代氢化物中的部分氢提高体系放氢性能的基础上，用Ti取代Na4Mg4H11F中的部分Na。系统地研究了氟和钛共同掺杂后的化合物Na4-XTiMg4H11f(x=1，2，3)和Na4Mg4H11F的电子结构、焓变(反应焓、取代焓和形成焓)和态密度，分析了焓变和取代前后氢元素态密度变化对体系放氢性能的影响。
　　 论文的主要研究内容如下：
　　 (1)对钙钛矿结构的NaMgH3及Na4Mg4H11F和Na4-XTiMg4H11F(x=1，2，3)的结构进行几何优化，给出了弛豫后的各原子占位。
　　 (2)计算了Na4Mg4H11F和Na4-XTiMg4H11F(x=1，2，3)的形成焓，取代焓。取代焓的值是负数，由此从热力学的角度证明了钛离子取代一个钠离子是可行的，取代后形成的氢化物是稳定的。NaTiMg4H11F的形成焓最小，说明正三价的Ti阳离子取代Na4Mg4H11F中三个正一价Na，这种替代的可能性最大。
　　 (3)计算了Na4Mg4H11F和NaTiMg4H11F的反应焓。NaTiMg4H11F的反应焓相对Na4Mg4H11F的反应焓明显减少，说明Ti掺杂后改善了体系的热力学性能。
　　 (4)分别对Na4Mg4H11F和Na4-XTiMg4H11F(x=1，2，3)的态密度进行了分析。电子结构分析显示，F和Ti共掺杂后，氢的1s能级与Ti的3d能级强的交互作用导致原来靠近费米能级的氢的能级分为两部分。一部分左移远离费米能级，另一部分右移跨越费米能级。同没有掺杂的NaMgH3相比，氢在氢化物中的稳定性降低了，有利于氢化物的放氢。