Sc、Co元素摻雜對Mg2Ni表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響的理論研究.pdf

1、鎂基合金具有資源豐富、儲氫容量大、密度小、價格低廉、無污染等特點,被視為最有發(fā)展前途的儲氫材料之一。但其同時也存在動力學性能差、放氫溫度高等不足,嚴重阻礙其實用化進程。已有研究表明,通過采用元素取代、材料納米化/非晶化、表面改性、材料復合化等方法,可不同程度地改善材料的吸放氫熱力學、動力學、電化學性能和循環(huán)壽命。到目前為止,有關(guān)儲氫金屬與氫原子之間的相互作用以及吸放氫的熱力學和動力學過程的微觀機制仍不清楚,需要建立理論模型來研究合金的儲

2、氫機理。從儲氫機理來看,表面吸附是吸氫過程的初始階段,因此,表面性質(zhì)的研究對深入分析Mg2Ni吸氫性能將具有重要意義。
　　論文從鎂基儲氫材料微觀結(jié)構(gòu)出發(fā),采用基于密度泛函理論(DFT)的平面波贗勢(PWP)方法,選取廣義梯度近似(GGA)下的PW91泛函來描述交換相關(guān)能。首先計算了Mg2Ni體相和三個低指數(shù)(100,010,110)表面的晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì),確定適宜的吸氫表面;其次研究了氫在清潔Mg2Ni(100)和(010)表

3、面吸附的吸附位、吸附能和電子結(jié)構(gòu);最后用Sc、Co原子分別取代表面的Mg、Ni原子,討論了其吸氫表面的吸附位置、吸附能和電子結(jié)構(gòu),分析摻雜對Mg2Ni表面吸氫的影響機理。
　　本論文得到如下結(jié)論:
　　1.研究Mg2Ni體相(100)、(010)和(110)面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)發(fā)現(xiàn):(100)和(010)面Ni1-Ni2原子間相互作用明顯強于Mg1-Ni1原子間相互作用,電子密度向Ni濃集,Ni原子間成鍵作用較強,且Mg2Ni(1

4、00)、(010)表面具有較高的表面能,表面活性較大,易于吸氫。(110)面原子間成鍵作用明顯小于(100)和(010)面,原子間距較大,氫易于向體內(nèi)擴散;但該面表面能最低,表面活性小,吸氫困難;因此Mg2Ni(110)表面不宜作為吸氫表面,而Mg2Ni(100)與(010)表面可作為吸氫表面。
　　2.在清潔Mg2Ni(100)面,氫原子穩(wěn)定吸附位的吸附能大小順序為:G吸附位＞D吸附位＞F吸附位,其中G吸附位的吸附能力最強,屬于

5、化學吸附。氫原子在C吸附位的吸附位阻比D大。Co摻雜后穩(wěn)定的吸附位未發(fā)生變化,但表面吸附能增加,吸氫能力增強。Sc摻雜后,穩(wěn)定的吸附位為g、f、c三個位置。與清潔表面相比,摻雜Sc使得c吸附位的吸附能力增強,變成穩(wěn)定吸附位。
　　3.在清潔Mg2Ni(010)N,氫原子穩(wěn)定吸附位的吸附能大小順序為:C吸附位＞F吸附位＞B吸附位,C吸附位含有兩個易吸氫的Ni原子,吸附能力最強。Co摻雜后穩(wěn)定的吸附位置未發(fā)生變化,但使得Mg2Ni(0

6、10)表面吸附能增加,吸氫能力增強。Sc摻雜后使得b吸附位氫原子處于不穩(wěn)定的位置,e吸附位因含有較強吸氫能力的Sc原子成為了穩(wěn)定的吸附位,因此穩(wěn)定吸附位為c、f、e位。
　　4.氫分子在清潔Mg2Ni(010)面易于解離,并且解離后的氫原子與表面存在較強的相互作用,其中Ni-Ni橋位為最穩(wěn)定吸附位。初始吸附方式有三種,其中Horl吸附方式(H2分子的成鍵方向與表面平行且與表面原子間成鍵方向平行)的吸附能最大。Co摻雜對(010)表

7、面的吸H2起到催化作用,增強了Ni-Ni橋位和Ni頂位的吸氫能力,而對Mg-Ni橋位影響不大。
　　本文創(chuàng)新點:
　　1.理論上確定了Mg2Ni(100)和(010)表面為吸氫表面。氫在清潔的Mg2Ni(100)和(010)表面的穩(wěn)定吸附位均與Ni原子相關(guān)。
　　2.Co摻雜未影響(100)和(010)面的穩(wěn)定吸附位,但增加了表面吸附能,吸氫能力增強。
　　3.Sc摻雜明顯增強了(100)面c位和(010)面e位