过渡金属共掺杂对Mg吸氢性能影响的理论研究

论文摘要

因为氢气有高能量密度和无污染的特性，它是未来二次能源有利竞争者。可是经济和方便的氢气储存仍然是实际应用中的瓶颈。MgH2拥有7.6%的质量比和便宜的价格，是打破储氢瓶颈的一种潜在的材料。然而对于实际应用，MgH2还有两个严重的不足：第一是MgH2很稳定，放氢温度超过300°C。第二是放氢和吸氢的速度很慢。过渡金属掺杂是克服这些缺点的一种重要手段。本文运用第一性原理研究了清洁的,带有空位的和掺杂过渡金属(TM=Sc, Ti, V, Cr,Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Au, Pt)的Mg表面与氢原子的相互作用。过渡金属掺杂在第二层吸氢效果虽然比纯Mg表面好，但是比掺杂在第一层时明显要弱。遗憾的是相对于最表层，过渡金属更往往倾向于稳定在第二层的取代位置。为了提高过渡金属的催化效果，我们研究过渡金属共掺杂的各种情况。我们发现i）当与Co, Ni, Pd,Ag, Pt,和Au共掺时，Ti是一种很好的协助者，能让其它过渡金属稳定在第一层。ii）Ni和Co与Ti，V，和Nb共掺时，更容易稳定在第一层。这些发现可能有助于提高过渡金属在Mg表面的稳定性，同时提高Mg的氢化性能。接着，我们还研究了氢分子在清洁的和Ni与Nb共掺情况下的Mg表面的解离和扩散。单独的Ni和Nb在Mg最外层可以降低氢分子的解离势垒。但是，Ni和Nb单独掺杂时，又倾向于在第二层，这导致解离能力的弱化，造成MgH2的瓶颈。有趣的是Ni和Nb共掺可以使Ni稳定在第一层，从而导致氢分子的解离势垒降低，但同时又提高扩散势垒。当Ni在第一层时，氢分子与Ni的d轨道相互作用更强，使得氢分子解离势垒下降，然而这又不利于氢原子的扩散。这表明为了平衡氢分子的解离势垒和扩散势垒需要寻找一种更适合的过渡金属，使解离势垒和扩散势垒均有适当的下降。最后，我们研究了Pd铺在Mg(0001)面上，相对于fcc位，Pd更倾向于hcp位。表面的Pd层与第二层得Mg间距变小，表明他们之间的作用力很强。Pd在Mg表面有利氢分子解离，主要是由于Pd的d轨道与氢分子的相互作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 镁基储氢材料研究现状
• 1.2.1 纯镁
• 1.2.2 尺寸效应
• 1.2.3 催化效应
• 1.3 本论文的研究内容
• 第二章 理论研究方法
• 2.1 绝热近似
• 2.2 单电子近似和密度泛函的理论基础
• 2.3 第一性原理软件 VASP 简介
• 2.4 Nudge-elastic band 方法
• 第三章 单个和共掺过渡金属在 Mg 表面的稳定性及其对氢吸附的影响
• 3.1 引言
• 3.2 计算细节及模型
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 过渡金属与空位在 Mg（0001）表面
• 3.3.2 氢原子与清洁的和掺杂过渡金属的 Mg（0001）表面相互作用
• 3.3.3 双掺杂 Mg 表面的稳定性
• 3.4. 结论
• 第四章 Ni 和 Nb 在 Mg 表面共掺对氢解离和扩散的影响
• 4.1 引言
• 4.2 计算细节及模型
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 氢分子在单掺杂 Nb 和 Ni 在 Mg（0001）表面的解离和扩散
• 4.3.2 氢分子在 Nb 和 Ni 共掺杂的 Mg（0001）表面的解离和扩散
• 4.4 结论
• 第五章 单层 Pd 铺在 Mg 表面性能和对氢的影响
• 5.1 引言
• 5.2 计算细节及模型
• 5.3 结果和讨论
• 5.3.1 清洁的表面结构
• 5.3.2 清洁表面电子性质
• 5.4 氢吸附结果和讨论
• 5.4.1 表面结构和能量信息
• 5.4.2 表面电子结构
• 5.5 结论
• 第六章 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件