基于密度泛函理论解读不同高密度储氢材料释氢能力

采用基于密度泛函理论的第一原理平面波赝势方法,研究了MgH₂, LiBH₄,LiNH₂,NaAlH₄几种高密度储氢材料及其合金的释氢及影响机理.结果表明:高密储氢材料MgH₂,LiBH₄,LiNH₂,NaAlH₄都比较稳定,释氢温度都很高,合金化可以降低它们的稳定性,但系统稳定性不是决定高密度储氢材料释氢性质的关键因素;带隙的宽窄基本可以表征储氢材料成键的强弱,能隙越宽,键断开越难,释氢温度就越高;LiNH₂价带顶成键峰主要由Li—N成键贡献,N—H键构成较低的峰,使得LiNH₂储氢材料的带隙虽很窄释氢温度却较高,且放氢过程中有氨气放出;合金化使得几种高密度储氢材料的带隙变窄,费米能级进入导带,从而使它们的释氢性能大大改善;电荷布居分析发现LiBH₄中B—H键最强,LiNH₂中H—N键最弱,因此LiNH₂中H相对容易放出.合金化后,各储氢材料中X—H键强度都有所降低,且LiMgNH₂中N—H键强度最低,因此从降低释氢温度角度,发展LiNH₂储氢材料最为有利. 关键词： 储氢材料 第一原理 释氢能力     

LiNH2储氢材料中间隙H与掺杂原子交互作用对其释氢性能影响机理研究

采用基于密度泛函理论的赝势平面波第一性原理方法,研究了LiNH₂缺陷及其掺杂原子交互作用对其释氢影响.通过对其进行优化求得它们的局域最稳定结构并计算了含间隙H原子缺陷的LiNH₂及其掺杂合金的结合能、间隙缺陷形成能、态密度和电荷布居.结果表明: 系统结合能不能反映LiNH₂及其掺杂合金的释氢性质;平衡时,LiNH₂中有一定的间隙氢原子存在,Mg,Ti掺杂使形成能大大降低,大大增大了间隙氢的浓度. 间隙H原子在带隙引入了缺陷能级使带隙大大减小,提高释氢能力.间隙H原子导致[NH₂]^-中N-H原子间相互作用减弱,容易释氢.间隙H与[NH₂]^-中N存在共价作用,可以解释LiNH₂释氢反应中NH₃的放出.当存在掺杂时,N-H键的键强不均衡,部分较弱,部分较强,较弱的N-H键中H容易放出. 关键词： 储氢材料 第一性原理 缺陷 释氢机理     

金属元素替代对Li4BN3H10储氢材料释氢影响机理的第一性原理研究

应用基于密度泛函理论的赝势平面波第一性原理方法研究了金属元素替代对Li₄BN₃H₁₀ 释氢的影响机理.计算给出了结合能、电子态密度、密集数, 分析了结构的稳定性和原子间的成键情况.结果表明: 晶体的结合能与(LiM)₄BN₃H₁₀(M=Ni,Ti,Al,Mg)释氢性能没有直接的关联.带隙的宽窄和带隙中是否存在杂质能级是决定(LiM)< 关键词： LiBNH系储氢材料 第一性原理 元素替代 释氢机理     

元素替代对MgH2储氢材料释氢影响机理的第一原理研究

用基于密度泛函理论的赝势平面波第一原理方法研究金属元素替代对MgH₂释氢的影响机理.结果表明：带隙的宽窄和带隙中是否存在杂质能级是影响MgH₂储氢材料释氢性能的关键因素,Nb,Fe,Ti,V在能隙近中央引入杂质能级,使得MgH₂的H-Mg键键强减弱,有利于放氢.La在导带底引入杂质能级,降低带隙宽度,晶体中结合最弱的键断裂变得容易,也有利于放氢.Nb,Fe,Ti,V,La与近邻氢原子间形成共价键,形成金属氢化物,对释氢起到催化作用.La与H间的共价作用较弱,其金属氢化物的催化作用相对较弱.掺杂元素使Mg与周围H的静电作用力不对称,与Mg作用力小的H容易释放出来,起到提高MgH₂释氢的作用.比较发现V,Fe明显降低Mg-H间的离子键强度.     

Li修饰的C24团簇的储氢性能

利用密度泛函理论研究了Li原子修饰的C₂₄团簇的储氢性能. Li原子在C₂₄团簇表面的最佳结合位是五元环. Li原子与C₂₄团簇之间的作用强于Li原子之间的相互作用, 能阻止它们在团簇表面发生聚集. 当Li原子结合到C₂₄表面时, 它们向C原子转移电子后带正电荷. 当氢分子接近这些Li原子时, 在电场作用下发生极化, 通过静电相互作用吸附在Li原子周围. 在Li修饰的C₂₄复合物中, 每个Li原子能吸附两到三个氢分子, 平均吸附能处于0.08到0.13 eV/H₂范围内. C₂₄Li₆能吸附12个氢分子, 储氢密度达到6.8 wt%.     

锂原子修饰B6团簇的储氢性能研究

利用密度泛函理论研究B₆和Li_mB₆ (m= 1–2)团簇的结构及其储氢性能. 结果表明, 氢分子在B₆团簇的三种可能结构中均发生解离吸附, Li原子在B₆团簇表面不发生团聚,每一个Li原子均吸附几个氢分子. 其中以两个Li原子修饰笼形B₆团簇吸附完整氢分子数最多,储氢质量分数为20.38%, 氢分子的平均吸附能为1.683 kcal/mol,表明了它在常温常压条件下作为储氢材料的可行性. 关键词： mB₆ (m=1-2)团簇')" href="#">Li_mB₆ (m=1-2)团簇 密度泛函理论(DFT) 吸附能 储氢性能     

Al掺杂对合金Mg1-xTix及其氢化物稳定性的影响

用密度泛函理论,研究了Al对合金Mg_1-xTi_x及其氢化物稳定性和电子结构的影响. 通过计算不同掺杂浓度的Mg-Ti-Al合金的形成焓,发现当Al和Ti的浓度之比为1:1时, 合金结构最稳定,有利于氢的可逆吸收;而掺杂体系的氢化物稳定性降低, 可提高放氢性能.通过对态密度,电子密度和键长的分析, 表明Al改善Mg-Ti系统的放氢性能的原因是掺杂后减少了低能级区成键态的电子以及减弱了Mg-H, Ti-H原子间的相互作用. 关键词： 1-xTi_xH₂储氢材料')" href="#">Mg_1-xTi_xH₂储氢材料 赝势平面波 电子结构 稳定性     

Mg,Al掺杂对LiCoO2体系电子结构影响的第一原理研究

为了研究Mg, Al掺杂对锂二次电池正极材料LiCoO₂体系的电子结构的影响，进而揭示Mg掺杂的LiCoO₂具有高电导率的机理，对Li(Co, Al)O₂和Li(Co, Mg)O₂进行了基于密度泛函理论的第一原理研究. 通过对能带及态密度的分析，发现在Mg掺杂后价带出现电子态空穴，提高了电导，并且通过歧化效应（disproportionation）改变了Co-3d电子在各能级的分布，而Al掺杂则没有这些作用. O关键词： 2')" href="#">LiCoO₂ 电子结构 第一原理 电导     

Li修饰的C$lt;sub$gt;6$lt;/sub$gt;分子对H$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;O的吸附研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似研究C₆Li吸附H₂O分子并将之进行分解的催化过程. 几何优化发现：Li原子最稳定的吸附位置是位于C 原子顶位上方. 研究表明,第一个H₂O 分子吸附在C₆Li上需要克服1.77 eV的能量势垒,然后分解为H和OH且与Li原子成键. 当吸附第二个H₂O分子时,第二个H₂O分子需要克服1.2 eV的能量势垒分解为H和OH,其中H与Li原子上的H原子结合成H₂,OH则替代Li 原子上的H结合在Li原子上. 因此C₆Li 可以作为催化剂将H₂O分子进行分解得到H₂. 分析可知：C₆Li主要是通过Li原子与H₂O之间形成的偶极矩作用来吸附H₂O 分子,与C₆₀Li₁₂ 的储氢机制类似. 研究结果可为储氢材料的制备提供一个新的思路. 关键词： 6')" href="#">C₆ Li 2O')" href="#">H₂O 密度泛函理论     

Mg原子修饰的封闭型六硼烷B6H62-储氢性质的研究

利用密度泛函理论的方法研究了Mg原子修饰的封闭型六 硼烷B₆H₆^2-吸附氢的性能. Mg可以稳定地结合在B₆H₆^2-上, 它可以吸附六个氢分子. 电荷转移所导致的Mg周围电场的增强和体系更大的偶极矩使 得MgB₆H₆^2-比MgB₆H₆具有更好的储氢性能, 储氢密度达到11.1 wt%, 氢分子的平均结合能在0.23 eV/H₂至0.34 eV/H₂之间. 结果表明可以通过控制金属-有机物体系的电荷态来增强电场, 进而改善其储氢性能. 关键词： 6H₆^2-团簇')" href="#">MgB₆H₆^2-团簇 密度泛函理论(DFT) 储氢性能 电荷态     

合金元素对Ag/Al界面性质影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算和分析Ag(111)/Al(111)界面体系的能量与电子结构,讨论Ag中加入的Be、Mg、Al、Ca、Ni、Sn合金化元素对Ag/Al界面性质的影响.结果表明:Ni原子倾向于界面处的取代位置,而Be、Mg原子倾向于靠近界面处的取代位置,Al、Ca、Sn原子倾向于远离界面处的取代位置;合金元素Be、Mg、Al、Ca、Ni、Sn的加入均会使Ag/Al界面的稳定性降低,其中Ca元素的影响程度最大,分离功降低到0.923 J/m~2,界面能增至0.703 J/m~2;通过电子结构计算结果分析认为,导致界面稳定性下降的主要原因应是合金化元素的加入使界面间形成的Ag-Al共价键强度降低引起.     

Magnetic properties of AlN monolayer doped with group 1A or 2A nonmagnetic element: First-principles study

The electronic structure, magnetic properties, and mechanism of magnetization in two-dimensional(2D) aluminum nitride(AlN) monolayer doped with nonmagnetic elements of group 1A(Li, Na, K) or group 2A(Be, Mg, Ca) were systematically investigated using first-principles studies. Numerical results reveal that the total magnetic moments produced by group 1A and group 2A nonmagnetic doping are 2.0μB and 1.0μB per supercell, respectively. The local magnetic moments of the three N atoms around the doping atom are the primary moment contributors for all these doped AlN monolayers. The p orbital of the dopant atom contributes little to the total magnetic moment, but it influences adjacent atoms significantly, changing their density of states distribution, which results in hybridization among the p orbitals of the three closest N atoms, giving rise to magnetism. Moreover, the doped AlN monolayer, having half-metal characteristics,is a likely candidate for spintronic applications. When two group 1A or group 2A atoms are inserted, their moments are long-range ferromagnetically coupled. Remarkably, the energy of formation shows that, if the monolayer has been grown under N-rich conditions, substitution of a group 2A atom at an Al site is easier than substitution of a group 1A atom.     

掺杂元素对Mg2NiH4稳定性影响的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一原理赝势平面波(PW-PP)方法,计算了低温相Mg2NiH4和(Mg2Ni,X)H4(X=Ag, Al, Ti或Zr)的生成热及电子结构,分析了掺杂元素对Mg2Ni氢化物稳定性的影响. 结果表明,掺杂导致了合金氢化物生成热的绝对值降低,合金氢化物的稳定性下降,且发现掺杂元素电负性越大,氢化物越不稳定. 从电子态密度图和Mulliken布居数分析知道,掺杂后合金氢化物释氢能力增强的主要原因在于Ni-H之间的成键减弱,以及掺杂元素诱导费米能级EF处电子数浓度N(EF)的增加.     

Li掺杂对MgH2(001)表面H2分子扩散释放影响的第一性原理研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理分别研究了MgH₂(001)表面H原子扩散形成H₂分子释放出去的可能路径及金属Li原子掺杂对其影响. 研究结果表明: 干净MgH₂(001)表面第一层释放H原子形成H₂分子有两种可能路径, 其释放能垒分别为2.29和2.50 eV; 当将Li原子替代Mg原子时, 两种H原子扩散释放路径的能垒分别降到了0.31和0.22 eV, 由此表明Li原子掺杂使MgH₂(001)表面H原子扩散形成H₂释放更加容易.     

Tuning electrochemical potential of LiCoO2 with cation substitution: first-principles predictions and electronic origin

With a goal to improve the performance of LiCoO₂ as a cathode material in Li-ion batteries, we simulate substitution of various elements (X = Be, Mg, Al, Ga, Si and Ti) for Co using first-principles density functional theory and predict changes in its electrochemical potential. While the electrochemical potential of LiCoO₂ is enhanced with substitution of Be, Mg, Al and Ga for Co, an opposite effect is predicted of Si and Ti substitution. We determine the electronic origin of these changes in electrochemical potential using (a) Bader method of topological analysis of charge density, (b) partial density of electronic states to estimate oxidation states of metal and oxygen, and charge re-distribution upon lithiation. We find that the distribution of electronic charge donated by Li is influenced by the nature of the X–O bond. A larger electron transfer to O (in XO₆ octahedron) upon lithiation leads to stronger Li intercalation and thereby higher electrochemical voltage. Our findings provide a platform for a rational design of cathode materials in Li batteries with enhanced voltage.     

第一性原理研究Al-Cu-Li合金中T1相的腐蚀机理

利用密度泛函理论的第一性原理,讨论Al-Cu-Li合金中主要析出相T1相(Al6Cu4Li3)的表面性质,计算不同终结面的表面能和表面电子功函数,并探讨应力作用和常见合金元素对Al/T1界面的影响.结果表明:T1相的表面能与表面的原子排列有关,不同的表面通过应变释放重构,进而获得不同的表面能.表面电子功函数则与表面原子种类有关,由于Li的电负性最小,含Li原子的表面通常有较低的电子功函数,进而降低材料的耐蚀性.此外,在应力作用下,T1相一些表面的电子功函数变化与纯金属是相反的.压应力下T1相电子功函数降低,材料更加容易被腐蚀;张应力下T1相功函数增加,材料更加耐腐蚀.同时,通过计算Al/T1界面中Ag,Zn和Mg 3种合金元素的替位能,可以发现,这3种元素都有利于降低界面能,且Ag的作用最明显.     

N、C共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了N和C原子分别单掺杂和双掺杂锐钛矿TiO2的形成能、晶体结构、电子结构和光学性质。计算结果表明：原子替位掺杂后体系晶格发生畸变;C替位掺杂更倾向于替代Ti位,而非O位;替位掺杂使TiO2光吸收带边发生了明显红移,且在可见光区域的吸收效率明显增加,大大提高了光催化效率。与单掺杂比较发现,N、C双掺杂红移现象更加明显,为较好的掺杂改性方式。     

N、C共掺杂锐钛矿相TiO2电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,研究了N和C原子分别单掺杂和双掺杂锐钛矿TiO2的形成能、晶体结构、电子结构和光学性质。计算结果表明：原子替位掺杂后体系晶格发生畸变;C替位掺杂更倾向于替代Ti位,而非O位;替位掺杂使TiO2光吸收带边发生了明显红移,且在可见光区域的吸收效率明显增加,大大提高了光催化效率。与单掺杂比较发现,N、C双掺杂红移现象更加明显,为较好的掺杂改性方式。     

Li_2NH晶体结构建模和电子结构的第一性原理研究

基于密度泛函理论的赝势-平面波方法,采用三种模型分别研究Li,N原子对N—H键方位的影响以及N—H键间的相互影响,得到了Li2NH的晶体结构和H原子的占位位置.计算结果表明:Li2NH晶体为层状结构,空间群为P42,晶胞中4个N—H键分为两层,层内N—H键为反平行排列,层间N—H键为垂直排列.态密度和电子局域函数(ELF)分析表明,N—H键呈明显的共价键特性,Li和N—H键呈明显的离子键相互作用.可逆储氢反应Li2NH+H2/LiNH2+LiH在温度0K时的反应焓为69.6kJ/molH2,与实验结果66kJ/molH2符合得较好.     

Solute-second phase interaction for Mg,Ag and Zn in Al–Li alloys

ABSTRACT

Early experiments have shown the promises of alloying with Mg?+?Ag (or Mg?+?Zn) on the performance of Al–Li alloys. To better understand the interaction between solutes and second phases in Al–Li alloys, Mg, Ag and Zn segregation to Al/δ′ interface as well as their substitution in δ′ bulk were investigated at the atomic level using first principles modelling and calculations. Energetics results and local charge analyses revealed that Mg, Ag and Zn can segregate to Al/δ′ interface by different preference, but have no significant influence on the interface adhesion. Ag and Zn can also dissolve into δ′ bulk, and enhance the local metallic bonding with nearest-neighboring Al atoms. Based on these results, a multi-fold benefit mechanism was suggested for the combined alloying with Mg?+?Ag (or Mg?+?Zn) in Al–Li alloys.