Nb-TM体系氢渗透性能的第一性原理计算研究

摘要

随着燃料电池等领域对高纯氢气的需求量日益增加，开展用于氢气分离和纯化的新型氢渗透材料应用前景广阔。VB族金属（V，Nb，Ta）因具有良好氢渗透性能，而被广泛关注和研究。但这些金属吸氢后产生严重的氢脆问题而无法直接应用，合金化是改善其氢脆特性的有效途径。
　　首先，基于密度泛函理论的第一性原理方法，通过建立合理的晶体结构模型，我们对Nb基氢化物进行了掺杂过渡金属元素Ti和Mo原子的的理论计算，研究其热力学稳定性、电子结构、力学性能和氢渗透性能，结果表明：
　　1、相比Ti原子掺杂，Mo原子掺杂致使Nb基氢化物具有更大的体模量、杨氏模量和剪切模量，表明Mo原子掺杂能改善Nb基氢化物的力学性质。
　　2、Mo原子掺杂后，其扩散能垒值和氢扩散系数分别为0.12eV和5.65×10-6cm 2s 1，相比Ti原子掺杂，Mo掺杂的Nb基氢化物具有更低的能垒值和更大的氢扩散系数。
　　其次，为继续探索Mo原子掺杂的表面渗透性能，我们研究了氢原子在材料表面的渗透吸附机理。经过一系列测试计算，我们选定了原子层为7层真空层厚度为12的合理表面模型。在合理表面模型基础上，计算了氢原子到表面不同吸附位置的吸附能。研究发现氢原子吸附到表面洞位置时，其吸附能最大,氢原子更倾向于占据洞位置。
　　最后，我们使用微动弹性带方法，计算了氢原子从表面洞位置渗透到次表面层氢原子间隙位置的扩散能垒值和扩散系数。研究发现，氢原子由表面洞位置渗透进四面体间隙位置具有更低的能垒值和更大的氢扩散系数。本课题顺利完成将极大地丰富Nb-TM体系基础物理数据，为制备出具有优良性能的新型Nb-TM氢渗透合金材料提供重要的指导作用。

目录

第一章 绪 论

§1.1氢分离技术的研究背景

§1.2氢分离技术的分类及其特点

§1.3 氢分离合金膜技术

§1.4氢分离合金膜技术的发展现状

§1.5氢分离合金材料计算模拟的理论基础

§1.6氢分离合金材料国内外研究现状及计算研究进展

§1.7本课题研究背景及内容

第二章 基本理论和计算方法概述

§2.1 引言

§2.2 第一性原理计算概述

§2.3 密度泛函理论

§2.4过渡态搜索计算理论

§2.5 VASP软件包的简单简介

第三章 Ti掺杂Nb16H对其稳定性和氢渗透性能影响的第一性原理研究

§3.1 引言

§3.2 计算方法与模型

§3.3 结果与讨论

§3.4 本章小结

第四章 Mo掺杂Nb16H对其稳定性和氢渗透性能影响的第一性原理研究

§4.1 引言

§4.2 计算方法与模型

§4.3 结果与讨论

§4.4 本章小结

第五章 氢原子吸附在Nb-Mo晶体表面对其稳定性和渗透性能的第一性原理研究

§5.1引言

§5.2计算方法与表面模型

§5.3结果与讨论

§5.4 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1本论文的总结

§6.2科研展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间主要研究成果与获奖情况