Li-Mg-N-H系络合物储氢机理的第一性原理研究

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本文采用基于第一性原理的密度泛函理论研究了H2分子在Li3N(010)表面的吸附、LiH在Mg(NH2)2(001)表面反应的反应机理、Li-Mg-N-H系络合物的成键特性与热力学性能,为开发高性能储氢材料的进一步实验研究提供理论指导,主要研究结论如下:1、H2分子Li3N(010)表面的吸附的研究表明,对于表层终止于Li原子和N原子的A-Li3N(010)面,最稳定的吸附位置是H2分子初始位置在N-N桥位的吸附方式,吸附能为4.967eV,稳定吸附后H2分子的两个H原子完全解离,并分别趋于两个N原子上方,形成两个NH基,属于强解离式化学吸附;H2分子初始位置在Li-Li-N-N穴位、N顶位和Li-N桥位的吸附方式的吸附能分别为4.842eV,3.701eV,3.105eV,均属于较强的解离式化学吸附,而H2分子初始位置在Li顶位和Li-Li桥位的吸附却为物理吸附。对于表层仅终止于Li原子的B-Li3N(010)面,最稳定的吸附位为H2分子的初始位置在B-Li3N(010)面的Li-Li桥位的吸附,其吸附能为1.172eV,吸附后两个H原子分别趋于两个Li-Li-Li-Li穴位并发生解离,形成两个Li-H键,为较强的解离式化学吸附;而H2分子的初始位置在Li顶位和Li-Li-Li-Li穴位的吸附却为物理吸附。A-Li3N(010)面的主要储氢方式是形成NH基和NH2基,而B-Li3N(010)面的主要储氢方式是形成Li-H。2、LiH在Mg(NH2)2(001)表面反应的研究表明:Mg(NH2)2(001)面具有一定金属性;单位个LiH与Mg(NH2)2(001)面作用形成稳定的Mg(NH2)2(001)/LiH系统的形成焓为-6.253eV,表明形成的Mg(NH2)2(001)/LiH系统更稳定;而从Mg(NH2)2(001)/LiH系统脱附出单位个H2分子的脱附能2.762eV,这可能是导致放氢温度较高的原因;整个反应过程Mg-N键主要体现为离子性,H-N键主要体现为共价性,Li-N键很弱;反应过程电子转移主要发生在LiH分子与N2原子之间。Mg(NH2)2(001)面和LiH相互作用过程中电子从Mg(NH2)2(001)面最高占有轨道流向LiH最低空轨道比从LiH最高占有轨道流向Mg(NH2)2(001)面最低空轨道容易。3、Li-Mg-N-H系络合物的成键特性与热力学性能的研究表明,Mg(NH2)2(?)口LiH的热力学稳定性分别比LiNH2和MgH2好,但Mg(NH2)2中N-H键弱于LiNH2中的N-H键;LiH中Li-H键主要为离子键;Li2Mg(NH)2中N-H键主要为共价键,N、H一起形成团族[NH]2-,Li、Mg与[NH]2-间的作用主要表现为离子性作用。Mg(NH2)2:LiH比例分别为1:2,、3:8、3:12时候的放氢反应在T=298K时的反应焓分别为59.6KJ(mol.H2)-1、61.KJ(mol.H2)-1、89.5KJ(mol.H2)-1,解释它们反应温度依次升高的原因。
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