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V、Ti合金化对Mg2Ni储氢性能影响的第一性原理研究

作　者: 王楠
导　师: 侯华；史德荣
学　校: 中北大学
专　业: 材料工程
关键词: Mg2Ni合金 元素掺杂 储氢性能 第一性原理
分类号: TG139.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 2次
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内容摘要


随着日益严重的环境污染和能源危机，寻找一种清洁无污染的可再生能源已迫在眉睫，氢气具有燃烧后产物只有水，储量丰富，可再生等优点已被越来越多的研究者纳入视线，21世纪也被称为氢能源的时代，而目前学者们面临的最大难题是氢气的储存。镁基储氢材料由于吸放氢平台好、资源丰富、价格低等优点，被称为是最具前景的储氢材料。本文以AB2型镁基储氢合金Mg2Ni为研究对象，采用基于密度泛函理论（DFT）的平面波赝势（PWP）方法，运用量子力学原理，研究了Mg2Ni及其氢化物LT-Mg2NiH4的晶胞构型、电子结构和氢化反应焓，并分别采用3d过渡元素V和Ti对Mg2Ni合金进行组元部分替代，通过对其合金体系各项性质的计算分析来研究元素掺杂对Mg2Ni合金储氢性能的影响。通过对Mg2Ni及其常温下氢化物LT-Mg2NiH4的晶体结构、态密度、电子密度和吸氢反应焓等性质的计算，发现：在Mg2Ni晶胞中沿a、b轴方向的作用力强于沿c轴方向的，吸氢作用和晶体结构的变化使得LT-Mg2NiH4具有良好的稳定性，强的Ni-H键和较高的吸氢反应焓（-64.63KJ/（mol·H2））使得LT-Mg2NiH4需要在一定条件下才可以顺利脱氢。研究了V合金化对Mg2Ni及其氢化物性能的影响，通过对取代前后合金体系的晶体结构、合金形成热、态密度、电荷布居和吸氢反应焓等的计算发现，在掺杂浓度x为00.5范围内，V优先占据Mg（6i）位，随着浓度的增加，Mg2Ni相结构稳定性降低，V的取代行为使得Mg2Ni晶胞中Ni（3d）电子轨道的成键峰高度降低，合金相结构稳定性降低，并对其氢化物中的Ni-H共价键造成了一定的削弱，使其更易于发生解氢反应。研究了Ti合金化对Mg2Ni及其氢化物储氢性能的影响，计算结果说明：在掺杂浓度为00.5的范围内，Ti优先占据Mg（6i）位，六方结构的固溶体合金Mg2-xTixNi极易分解为立方结构的Mg3TiNi2和六方结构的Mg2Ni组成的复合相。Ti的掺杂削弱了H原子和Ni原子间的相互作用，降低了其合金体系的吸氢反应焓，提高了Mg2Ni氢化物的解氢能力。在Ti合金化Mg2Ni研究的基础上，本文对H原子在Mg2Ni（100）面及Mg3TiNi2（100）面的吸附现象进行了探讨，发现H原子更倾向于吸附Mg2Ni（100）面C位的Mg-Ni桥位和Mg3TiNi2（100）面e位的Mg-Ni桥位， H原子吸附于Mg2Ni（100）面的吸附能（8.3210.45eV）高于Mg3TiNi2（100）面（4.375.53eV），说明H原子和Mg3TiNi2（100）面的相互作用力较低，形成的合金体系结构稳定性差，解氢时需要克服的能量势垒较小，吸放氢能力较高。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-18
  1.1 概述  11-12
  1.2 储氢合金的应用  12-14
    1.2.1 储氢容器  12-13
    1.2.2 Ni/MH 电池的负极材料  13
    1.2.3 氢的回收、净化、分离  13-14
    1.2.4 热能系统  14
  1.3 Mg_2Ni 合金的研究现状  14-18
    1.3.1 Mg_2Ni 储氢性能的实验研究  15-16
    1.3.2 Mg_2Ni 储氢性能的理论研究  16-18
  1.4 本论文的理论研究方法和主要研究内容  18
第2章 第一性原理简介  18-32
  2.1 密度泛函理论  21-27
    2.1.1 Thomas-Fermi 模型  22
    2.1.2 Hohenberg-Kohn 定理  22-24
    2.1.3 Kohn-Sham 方程  24-25
    2.1.4 局域密度近似(LDA)  25-26
    2.1.5 广义梯度近似(GGA)  26-27
  2.2 赝势  27-29
    2.2.1 模守恒赝势  27-28
    2.2.2 超软赝势  28-29
  2.3 计算程序 CASTEP 简介  29-31
    2.3.1 CASTEP 的计算范围  29-30
    2.3.2 CASTEP 的计算步骤  30
    2.3.3 CASTEP 的结果输出  30-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章 Mg_2Ni 和 Mg_2NiH_4的性能及结构  32-42
  3.1 引言  32
  3.2 计算方法与模型  32-34
    3.2.1 计算模型  32-34
    3.2.2 计算方法  34
  3.3 计算结果分析  34-41
    3.3.1 态密度  34-37
    3.3.2 差分电荷密度  37-39
    3.3.3 电荷布居分析  39-40
    3.3.4 Mg_2Ni 合金的吸氢反应焓变  40-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章 V 合金化对 Mg_2Ni 储氢性能的影响  42-51
  4.1 引言  42
  4.2 计算模型与方法  42-44
    4.2.1 计算模型  42-43
    4.2.2 计算方法  43-44
  4.3 结果分析  44-50
    4.3.1 平衡晶格常数  44-45
    4.3.2 合金形成热  45
    4.3.3 态密度  45-48
    4.3.4 电荷布局分析  48-49
    4.3.5 V 合金化对 Mg_2Ni 吸氢反应焓的影响  49-50
  4.4 本章小结  50-51
第5章 Ti 合金化对 Mg_2Ni 储氢性能的影响  51-62
  5.1 引言  51
  5.2 计算模型与方法  51-53
    5.2.1 计算模型  51-53
    5.2.2 计算方法  53
  5.3 结果分析  53-61
    5.3.1 平衡晶格常数  53-54
    5.3.2 合金形成热  54-55
    5.3.3 Ti 掺杂 Mg_2Ni 合金体系相对于 Mg_3TiNi_2化合物的稳定性  55-56
    5.3.4 态密度  56-58
    5.3.5 差分电荷密度  58-59
    5.3.6 电荷布局分析  59-60
    5.3.7 Ti 合金化对 Mg_2Ni 吸氢反应焓的影响  60-61
  5.4 本章小结  61-62
第6章 H 在 Mg_2Ni(100)面及 Mg_3TiNi_2(100)面的吸附现象  62-72
  6.1 引言  62
  6.2 计算模型及方法  62-64
    6.2.1 计算模型  62-64
    6.2.2 计算方法  64
  6.3 结果分析  64-71
    6.3.1 H 原子在 Mg_2Ni(100)面的吸附  64-65
    6.3.2 H 原子在 Mg_3TiNi_2(100)面的吸附  65-66
    6.3.3 Mg_2Ni(100)面的电子结构  66-68
    6.3.4 Mg_3TiNi_2(100)面的电子结构  68-71
  6.4 本章小结  71-72
结论  72-73
参考文献  73-81
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果  81-82
致谢  82-83

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 合金学与各种性质合金 > 其他特种性质合金 > 储氢合金
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