文档介绍：学校代码 10530 学号 200610030910
分类号 O642 密级

硕士学位论文
复杂轻金属氢化物的第一性
原理研究
学位申请人肖小兵
指导教师唐壁玉教授
学院名称材料与光电物理学院
学科专业材料物理与化学
研究方向计算材料学

二○○九年五月
First Principles Study plex Light
Metal Hydrides

Candidate Xiao Xiaobing
Supervisor Professor Tang Biyu
College Faculty of Material and Photoelectronic Physics
Program Material Physics and Chemistry
putational Materials
Degree Engineering Master
University Xiangtan University
Date May, 2009
湘潭大学
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作者签名: 日期: 年月日

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作者签名: 日期: 年月日

导师签名: 日期: 年月日
摘要
随着化石能源的日益枯竭和其大规模使用对环境污染的加重,人类开始寻找
可替代的新型能源。氢被认为是化石能源最佳替代物。大规模使用氢气的最大挑
战来自于缺乏商业上可行的氢储存技术。高压气态储氢和液态储氢难以满足未来
的氢储存要求。在适当温度和压力下,一些金属或合金和氢气结合形成氢化物,
这种固态储氢方式具有比气态和液态更好的安全性和发展潜力。近来,人们做了
大量研究来改善金属氢化物的储氢性能。
实际的储氢材料不仅要具有良好的热力学属性,还必须有足够快的吸放氢动
力学。本论文只研究材料是否具有令人满意的可逆吸放氢反应热力学属性。因为
理论上来说,通过添加催化剂或控制反应物颗粒的大小,金属氢化物的反应动力
学可以得到显著地改善。本文运用第一性原理计算研究了复杂轻金属氢化物的氢
储存能力、晶体和电子结构及其热力学属性。论文主要包括以下内容:
1. 使用基于广义梯度近似的密度泛函理论研究了 LixNa1−xMgH3 (x = 0, ,
, )的热力学属性和电子结构。计算得到的内聚能表明,随着 Li 在
LixNa1−xMgH3 中含量的增加,氢化物的稳定性增强。研究了氢化物 LixNa1−xMgH3
沿四条可能的放氢反应路径的反应焓,结果显示随着 Li 含量从 0 增加到 ,
其中两条反应路径的反应焓几乎呈线性地降低。计算结果表明 Li 替代 NaMgH3
中的部分 Na 改善了其储氢性能,有利于其实际应用。
2. 由于具有很高的储氢质量密度,金属硼氢化物作为一种潜在的先进储氢
材料而引起了广大科研工作者的兴趣。在本论文中,基于第一性原理计算研究了
实验上最新合成的双阳离子碱金属硼氢化物 LiK(BH4)2。结果表明 LiK(BH4)2 是
−
宽带隙绝缘体,带隙为 eV。金属阳离子和阴离子团(BH4) 具有离子相互作
−
用,四面体(BH4) 中 B-H 键之间具有共价相互作用。计算结果表明 LiK(BH4)2 的
分解温度位于 LiBH4 和 KBH4 的分解温度之间。因此,通过双或多阳离子复合能
有效地调控金属硼氢化物的热力学稳定性,从而改善其放氢温度。
3. 基于第一性原理计算,研究了面心立方镁–过渡金属氢化物 Mg7TMH16
(TM = Sc, Ti, V, Y, Zr, Nb)的能量和电子属性。内聚能计算用来分析氢化物的稳定
性,得到氢化物的形成焓用来分析其可能的形成反应路径。计算得到的放氢反应
焓表明 Mg7TMH16