Mg-Ti層狀合金儲(chǔ)氫機(jī)理的第一性原理研究.pdf

1、氫化鎂是一種極具應(yīng)用潛力的儲(chǔ)氫材料，具有輕質(zhì)、儲(chǔ)氫容量高等優(yōu)勢(shì)，但吸放氫動(dòng)力學(xué)性能不夠理想。合金化能在一定程度上改善Mg的儲(chǔ)氫性能，本文將晶面進(jìn)行復(fù)合，構(gòu)建了Mg/Ti界面體系，并應(yīng)用第一性原理方法研究了Mg/Ti層狀合金體系的穩(wěn)定性、原子間作用機(jī)制及儲(chǔ)氫性能，探討了改善鎂合金儲(chǔ)氫性能的途徑。
　　首先，研究了Mg(0001)/Ti(0001)界面體系的穩(wěn)定性，計(jì)算模型由7層Mg原子和8層Ti原子沿垂直于基面方向堆垛而成，并在原子

2、層上方保留18(A)的真空層。通過(guò)優(yōu)化界面間距及晶格錯(cuò)配（縮放系數(shù)）得到Mg(0001)/Ti(0001)界面的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)：界面兩側(cè)的原子按反對(duì)稱性方式排列（AA構(gòu)型），界面間距2.40(A)，縮放系數(shù)0.991，界面形成能為-0.216J/m2。進(jìn)一步考察了界面區(qū)域的氫原子吸附情況，H吸附于界面區(qū)域Mg原子投影處（top位）的吸附能最低（-0.991eV），且低于Mg(0001)表面的氫原子吸附能。在近界面區(qū)域，Ti的吸H作用強(qiáng)于Mg的

3、吸H作用，但Mg側(cè)的氫原子吸附能在-0.13~-0.41eV范圍，較利于H的可逆吸放。體系最大儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.15wt％，可逆儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.06wt%。
　　其次，研究了Mg/nTi/Mg多界面體系（n=1~8為插入的Ti原子層數(shù)）及Ti原子層數(shù)對(duì)氫原子吸附能的影響。在所研究的體系中AA構(gòu)型的Mg/3Ti/Mg的體系最穩(wěn)定，其界面間距為2.50(A)，縮放系數(shù)為1.020，界面形成能為-0.558J/m2。此體系吸氫穩(wěn)定性弱

4、于Mg/Ti單界面體系，但強(qiáng)于純Mg(0001)表面的氫吸附穩(wěn)定性，其最大儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.61wt%，可逆儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.45wt%，均高于Mg/Ti體系相應(yīng)的儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
　　第三，研究了Mg-Ti界面體系穩(wěn)定性和吸氫性能的電子結(jié)構(gòu)機(jī)制：(1)Mg-Ti界面體系中界面處的Mg原子層和Ti原子層均失去電子，導(dǎo)致界面區(qū)域成為富電荷區(qū)，氫吸附穩(wěn)定性與電荷集聚存在一定關(guān)聯(lián)，電荷集聚度越高氫吸附穩(wěn)定性越強(qiáng)；(2)界面處的金屬原子反應(yīng)

5、活性強(qiáng)于與體系內(nèi)部的金屬原子，未吸氫時(shí)界面兩側(cè)的Mg和Ti原子間存在一定相互作用，吸氫后H-Ti原子之間的作用強(qiáng)于Mg-H作用，因此通過(guò)對(duì)Mg原子層的電子吸引及與H原子較強(qiáng)的相互作用，Ti原子層的插入提高改善了Mg的吸氫性能。
　　第四，考察了Mg-Ti界面體系吸氫性能與原子層間距的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)氫原子平均吸附能對(duì)垂直于界面方向的原子層間距較為敏感。因此對(duì)層狀儲(chǔ)氫材料，控制層間距是調(diào)控其吸放氫性能的重要手段之一。
　　綜上，Mg