H2分子在LaNiO3(001)表面吸附的第一性原理研究

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ABO3型化合物作为Ni/H电池的新型负极材料,不但成本低,而且具有较好的化学反应活性和放电容量,以及良好的金属特性。研究表明,ABO3型氧化物储氢现象具有一定的普遍性,且氧空位的存在很大程度上影响着钙钛矿型氧化物材料的储氢性质,因而本文基于密度泛函理论(Density Functional Theory)研究了H2分子在LaNiO3理想表面及含O空位表面的储氢性能。  针对H2分子在LaNiO3表面的吸附问题,根据表面能的计算确定了(001)表面为最佳的吸附面。在此基础上,优化了 LaNiO3(001)理想表面的十种可能吸附位置,通过计算其吸附能及解离能,发现表面存在三种吸附方式:第一种吸附方式中,H2置于O顶位(即T1,T2,T3),优化结果显示,H2分子已经解离,两个H吸附在同一个O上形成了H2O分子,通过对T3位置吸附前后的电子结构分析及H2O分子与表面原子电荷转移情况的分析,发现H2O分子与表面间的相互作用较弱,易逃离表面形成氧空位;第二种吸附方式中,H2置于O桥位(即B1,B2,B3,B4),优化结果显示,H2完全解离,两个H原子与表面两个 O原子分别成键,形成了两个—OH基,这两种吸附均为化学吸附;H2分子置于La顶位(即T4)时,还可以发生物理吸附。上述吸附中,最稳定的吸附构型是H2置于O—O桥位即B3位置,为了更好的研究H2在B3位置的吸氢性能,构建超胞来进行更精准的研究。通过对B3位置吸附前后原子的电荷布居、原子的键布居、电子局域函数(ELF)与态密度(DOS)的分析,我们发现解离的 H与 O之间为典型的共价键,H与表面间的作用主要是由H1s与O2p轨道作用杂化的结果。  基于密度泛函理论,本文还对H2分子在含O空位的LaNiO3(001)表面的吸附问题进行了计算与分析。首先,对含O空位LaNiO3(001)结构的晶格参数进行了优化,结果发现O空位的出现扩大了LaNiO3的晶格参数,这是由于LaNiO3中O空位的出现减少了Ni元素从高价态到低价态的转换,使得Ni离子的半径增大,从而NiO的体积增大,导致LaNiO3的晶格参数变大。其次,通过计算空位形成能,发现LaNiO3(001)表面的空位形成能相对于晶胞要低1.12eV,因此,表面相对于晶胞更易形成 O空位。另外,为了分析PBE及PBESOL两种泛函对吸附构型电子结构的影响,应用这两种泛函对H吸附在O顶位(即T1)这种吸附构型进行了几何优化,结果发现,几何参数变化较小,但应用PBESOL泛函计算大大增加了体系的计算时间。最后,通过计算分析含有 O空位的LaNiO3(001)表面上六个可能位置的吸附能及解离能,结果发现其吸附方式与正常表面相似,即H2分子存在部分解离,两个H原子吸附在同一个O原子上形成了H2O分子的吸附方式;完全解离的H2中的两个H原子与表面O原子成键,形成了两个—OH基的吸附方式;以及物理吸附方式。但吸附结果与吸附性质却差别较大:第一,相对于正常表面,O空位的存在会导致H的吸附能增加,更易于储氢。第二,O空位的出现降低了表面的导电性,但吸H后含O空位的表面导带变宽,使其导电性增强。第三,适当的加大表面O空位的数量加快了H2的分解。
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