Sc、Co元素?fù)诫s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(xué)性能差、放氫溫度高等不足,嚴(yán)重阻礙其實用化進(jìn)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(fù)合化等方法,可不同程度地改善材料的吸放氫熱力學(xué)、動力學(xué)、電化學(xué)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(xué)和動力學(xué)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(xué)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