含氧气体分子在铀表面吸附与解离特性的第一性原理研究

论文摘要

核能的应用是解决当今能源危机的一种重要手段。在核工业中,铀是一种非常重要的燃料。铀的化学性质非常活泼,非常容易与环境中的气体分子发生氧化还原反应,导致其性能的退化,因此寻求有效安全的铀贮存手段引起了人们的广泛关注。铀的放射性以及毒性使得实验研究存在着很大的危险性,因此对铀材料的理论研究就显得极其重要。本工作应用基于密度泛函理论的第一性原理结合平面波赝势的计算方法,研究了一系列气体分子（O2、CO、C02和H20）在a-U（001）表面的吸附能以及吸附位置的选择性,气体分子的解离特性,并构建了O-U表面相图。第一性原理计算表明,02在铀表面吸附时会发生自发解离,且吸附能最大,氧原子与铀原子之间形成了很强的离子键。O-U表面相图也反应出02极易在铀表面发生吸附,即使在高真空环境中氧原子都能覆盖整个铀表面并向间隙位扩散。CO和C02都会以碳原子作为终端吸附在铀表面。在热力学上,吸附分子的解离会使吸附构型更稳定。对氧原子和碳原子在表面吸附位以及近表面间隙位的吸附与扩散特性的研究表明碳原子会占据近表面间隙位形成碳铀化合物,而氧原子更倾向于在表面发生吸附和扩散。H2O分子倾向于以平行方式吸附在表面铀原子的top位,但是吸附分子与铀原子之间以较弱的共价键结合,因此吸附能不大。然而,H20会在铀表面自发解离并形成多种部分解离与完全解离构型。解离后的原子或分子与铀的结合能力很强,使得吸附构型变得更加稳定。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 第1章 绪论
• 1.1 铀的基本性质
• 1.2 铀表面性质研究进展
• 1.2.1 实验研究
• 1.2.2 理论研究
• 1.3 铀的防腐技术
• 1.4 小结
• 第2章 基本理论方法
• 2.1 引言
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 Thomas-Fermi模型
• 2.2.2 DFT推导过程
• 2.2.3 交换关联泛函
• 2.3 基于密度泛函理论的第一性原理计算的实现
• 2.3.1 布洛赫定理
• 2.3.2 布里渊区K点的选取
• 2.3.3 平面波基组
• 2.3.4 赝势
• 2.3.5 缀加投影平面波方法
• 2.4 小结
• 第3章 氧在α-铀（001）表面吸附
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 α-铀块体和清洁α-铀（001）表面
• 3.3.2 氧气分子在C（2×1）表面的吸附
• 3.3.3 氧原子在C（2×1）、C（3×2）和C（4×2）表面的吸附
• 3.3.4 铀-氧表面相图
• 3.4 小结
• 2在α-铀（001）表面吸附'>第4章 CO和CO₂在α-铀（001）表面吸附
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 CO在C（2×1）表面的吸附
• 2在C（2×1）表面的吸附'>4.3.2 CO₂在C（2×1）表面的吸附
• 4.3.3 O和C在C（2×1）表面以及近表面间隙位的择优占位与扩散
• 4.4 小结
• 2O在α-铀（001）表面吸附'>第5章 H₂O在α-铀（001）表面吸附
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录