Zr-Mn基Laves相合金及Li系金属络合物的贮氢性能与机理研究

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本文采用基于密度泛函理论的平面波赝势(PW-PP)方法,分别就Co对ZrMn2合金贮氢性能的影响、ZrMn2(110)表面结构对合金吸氢性能的影响及吸氢机理、LiAlH4与Li3AlH6的成键特性及贮氢机理、Li-Al-N-H系络合物的成键特性及热力学稳定性进行了详细研究,以期揭示ZrMn2合金及Li系金属络合物贮氢性能与电子结构的关系,为开发高性能的贮氢材料提供理论指导。主要研究结论如下:1、Co对ZrMn2合金贮氢性能影响的研究结果表明,合金ZrMn2-xCox计算与实验测定的晶胞体积均随Co含量的增加而减小,Co取代使合金中的部分间隙尺寸和晶胞体积变小,使得氢原子不易进入变小了的间隙,是合金的平台压随Co含量的增加而升高的原因。Zr 4d轨道在Fermi能级处的态密度、H-Zr(2)与H-Mn(6h)的相互作用强度是决定氢化物稳定性的主要因素;合金ZrMn2-xCox的晶胞体积与6h位置原子间相互作用随着Co含量的增加而变化,是影响合金平台氢压的重要因素。2、ZrMn2(110)弛豫表面的致密度大于体相晶胞的致密度,使得表面原子间隙变小,是氢原子在合金活化前不易进入ZrMn2合金表面的可能原因之一。由1Zr2Mn原子构成的空位是氢原子吸附在ZrMn2(110)表面的最佳吸附位。被吸附的氢原子进入表面内部需克服的最大势垒为1.033 eV,使得氢原子较难进入表面内部,导致ZrMn2合金初始活化较为困难。3、络合物LiAlH4与Li3AlH6中的Li-H键为离子键、Al-H键为共价键。LiAlH4分解反应LiAlH4→1/3Li3AlH6+2/3Al+H2、1/3Li3AlH6→LiH+1/3Al+1/2H2与LiH+Al→LiAl+1/2H2均为吸热反应,分解过程的各步反应发生的难度是逐渐增大。吸热反应LiAlH4→LiH+Al+3/2H2的反应焓29.0kJ·mol-1大于分解反应LiAlH4→1/3Li3AlH6+2/3Al+H2的反应焓14.3kJ·mol-1,导致了LiAlH4直接分解为LiH的反应难度大于分解为Li3AlH6的反应。这也是实验观测到LiAlH4先分解为Li3AlH6,进而再分解为LiH的热力学原因。4、Li-Al-N-H系络合物贮氢反应中Li3AlN2的Li-N、Al-N键主要为离子键,LiNH2的N-H键主要为共价键,Li-N键主要为离子键。贮氢反应2LiNH2+LiAlH4→Li3AlN2+4H2与LiNH2+2LiH+AlN(?)Li3AlN2+2H2在298 K温度的反应焓计算值与相应的实验值符合得较好。与LiAlH4分解反应相比,反应焓与贮氢量相差不多,但Li-Al-N-H系络合物的贮氢反应LiNH2+2LiH+AlN(?)Li3AlN2+2H2为可逆吸放氢反应。
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