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金属氢化物R3ZnH5（R=K，Rb，Cs）的储氢性能以及共掺杂对NaBH4的影响：第一性原理计算

作　者: 李佳
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 金属氢化物 R3ZnH5（R=K,Rb,Cs）氢化物 NaBH4氢化物 Ti、F共掺杂 密度泛函理论
分类号: TB34
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


本文主要应用第一性原理的方法对几种金属氢化物的储氢性能以及掺杂对于储氢体系的影响进行研究。所有的计算研究都采用VASP软件包,交换关联函数都采用广义梯度近似。我们首先研究了金属氢化物R3ZnH5(R=K, Rb, Cs)系列体系的储氢性能,分别从结构性质、电子性质和热力学性质等方面进行深入地分析和讨论。结果发现,三种体系都表现出半导体性质,在[ZnH4]2-结构中Zn和H原子之间都有很强的共价键作用,而在[ZnHH4]2-结构和R原子之间有一定的离子键作用。形成焓的计算表明R3ZnH5体系的结构在298K下都是热力学稳定的。随着R原子半径的增加,R3ZnH5体系的稳定性逐渐降低。另外,我们还研究了R3ZnH5体系的脱氢分解路径,一种是直接分解成元素单质,另一种是R3ZnH5分解成RH氢化物。计算结果表明从热力学角度考虑第一种反应比第二种反应更容易发生。接下来我们设计将Ti和F共掺杂在NaBH4体系中,研究掺杂对体系储氢性能的影响。结果发现掺杂过程中Ti会取代Na原子,而F原子更容易替换[BH4]基团中离Ti较远的H原子。在研究过程中我们也着重比较了Ti、F共掺杂与Ti单独掺杂对NaBH4体系的影响变化。结果表明,一方面,Ti、F共掺杂更容易削弱B-H键的强度,从而使氢更容易解吸；另一方面,Ti、F共掺杂比Ti单独掺杂得到的结构更稳定。而随着共掺杂中F含量的增大,对NaBH4储氢性能的影响也有一些改变。另外,我们还研究了掺杂后的NaBH4体系的脱氢反应路径,发现Ti、F共掺杂后的体系分解后更容易形成TiB2和NaF。

全文目录


学位论文数据集  3-4
摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章 绪论  13-31
  1.1 氢能概况  13-15
    1.1.1 氢能的现状  13-14
    1.1.2 氢能使用过程以及难点  14-15
  1.2 储氢技术的研究现状  15-19
    1.2.1 物理储氢技术  16
    1.2.2 碳基储氢材料吸附储氢  16-17
    1.2.3 金属氢化物储氢  17-19
  1.3 几类重要金属氢化物的性能  19-29
    1.3.1 镁基氢化物材料  19-21
    1.3.2 复合氢化物材料  21-28
    1.3.3 金属间氢化物储氢材料  28-29
  1.4 本论文研究主要内容  29-31
第二章 密度泛函理论  31-37
  2.1 薛定谔方程  31-32
  2.2 密度泛函理论的提出及Hohenberg-Kohn定理  32-33
  2.3 能量泛函公式  33
  2.4 交换关联能的处理  33-35
    2.4.1 局域密度近似  34
    2.4.2 广义梯度近似  34-35
  2.5 Kohn-Sham方法  35-37
第三章 R_3ZnH_5(R=K,Rb,Cs)的结构、电子和热力学性质的第一性原理研究  37-53
  3.1 引言  37-38
  3.2 计算方法  38
  3.3 结果与讨论  38-51
    3.3.1 结构性质  38-42
    3.3.2 电子结构  42-44
    3.3.3 电荷性质  44-46
    3.3.4 热力学性质  46-51
  3.4 结论  51-53
第四章 Ti和F共掺杂对NaBH_4体系储氢性能影响的第一性原理研究  53-71
  4.1 引言  53-54
  4.2 计算方法  54
  4.3 结果与讨论  54-69
    4.3.1 结构性质  54-59
    4.3.2 电子结构  59-61
    4.3.3 电荷性质  61-64
    4.3.4 Bader电荷分析  64-65
    4.3.5 脱氢能  65-66
    4.3.6 形成焓  66-68
    4.3.7 脱氢反应路径  68-69
  4.4 结论  69-71
第五章 结论与展望  71-73
  5.1 结论  71-72
  5.2 展望  72-73
参考文献  73-83
致谢  83-85
研究成果及发表的学术论文  85-87
作者及导师简介  87-88
附表  88-89

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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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