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轻金属储氢材料的结构和电子性质的理论研究

作　者: 刘华
导　师: 黄世萍
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 储氢材料 电子结构 弹性性质 晶体状态方程 从头计算
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


对清洁能源的大量需求引起了对新型储能材料的注意,而固态储氢已被认为是最有效的方法之一。为了提高这些材料的性能,就必须理解它们的基础性质,尤其是晶体结构、电子结构和弹性性质等。本课题应用从头计算方法,计算研究了Li-N-H, Li-Mg-N-H, y-AlH3等轻金属储氢体系。(1)应用从头计算方法研究了储氢材料Li2NH和LiNH2的结构和电子性质。通过Mulliken分布和晶体轨道分布分析得出Li和N之间的具有较强的离子性,N和H之间有较强的共价性,LiNH2中N-H之间的共价性较Li2NH中的N-H之间的共价性弱。态密度分析Li2NH和LiNH2的价带都是主要由H的s轨道和N的sp轨道贡献。在Li2NH价带部分有一个小的带隙存在,而在LiNH2价带部分有两个小的带隙存在。(2)应用从头计算方法研究了储氢材料a-Li2Mg(NH)2和(3-Li2Mg(NH)2两种构型的结构性质和电子性质。计算优化得到的晶胞参数和N-H键长符合实验得到的数据。通过Murnaghan状态方程得到了体积模量和零压力下的能量,计算结果表明a-Li2Mg(NH)2为基态构型。通过Mulliken分布分析说明α构型的N-Li/Mg的离子特性和N-H间的交互作用都弱于p构型。态密度分析结果表明,价带轨道主要由N原子的s轨道和p轨道占据,并与H原子的s轨道杂化。(3)应用密度泛函理论方法研究γ-AlH3的晶体结构,电子性质和弹性性质。计算优化得到原子坐标,键长,键角与实验测定值相符。通过Mulliken分布和晶体轨道分布分析Al和H之间有强的离子性和弱的共价性。这些电荷性质在电荷差分密度图中得到了进一步的证明。态密度分析y-AlH3的价带主要由H的s轨道和Al的sp轨道贡献。在价带的-7.5--7.0eV之间还有一个小的带隙。本文还研究了γ-AlH3晶体的弹性常数和体积模量。弹性常数C11,C22和C33的值分别为102.3514,93.4176和135.3996GPa,体积模量为49.2746GPa。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章 绪论  12-20
  1.1 引言  12-13
  1.2 金属储氢材料研究进展  13-17
    1.2.1 金属氢化物体系  13-14
    1.2.2 金属配位化合物体系  14-16
    1.2.3 金属材料储氢的主要问题  16-17
  1.3 金属储氢的理论计算研究  17-18
    1.3.1 金属氢化物储氢材料的理论计算研究  17
    1.3.2 金属配位化合物储氢材料的理论计算研究  17-18
  1.4 研究内容  18-20
第二章 理论基础与计算方法简介  20-34
  2.1 能带理论简介  20-21
  2.2 从头计算(ab initio)方法  21-30
    2.2.1 Hartree-Fock自洽场方法  22-23
    2.2.2 密度泛函理论  23-30
  2.3 CRYSTAL2003程序理论框架简介  30-34
    2.3.1 基本方程  30-31
    2.3.2 库伦项和交换项的解决方法  31-34
第三章 Li-N-H体系储氢材料的结构和电子性质的第一原理研究  34-46
  3.1 前言  34
  3.2 计算详情  34-35
  3.3 结果和讨论  35-45
    3.3.1 晶体结构  35-37
    3.3.2 电子性质  37-45
  3.4 本章小结  45-46
第四章 Li_2Mg(NH)_2体系储氢材料的结构和电子性质的第一原理研究  46-56
  4.1 前言  46
  4.2 计算详情  46-47
  4.3 结果和讨论  47-54
    4.3.1 晶体结构性质和状态方程(EOS)  47-50
    4.3.2 电子性质  50-54
  4.4 本章小结  54-56
第五章 γ-AlH_3储氢材料的电子性质和弹性性质的密度泛函研究  56-66
  5.1 前言  56-57
  5.2 计算详情  57
  5.3 结果与讨论  57-65
    5.3.1 晶体结构性质  57-60
    5.3.2 电子性质  60-64
    5.3.3 弹性性质和体积模量  64-65
  5.4 本章小结  65-66
第六章 结论  66-68
参考文献  68-74
致谢  74-76
攻读学位期间发表的学术论文  76-78
作者简介  78-79
北京化工大学 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  79-80

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 功能材料
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