钚氧化物中氢行为的第一性原理研究

通过第一性原理计算和原子级热力学方法,系统研究H、H₂在PuO₂和α-Pu₂O₃中的吸附、扩散和溶解行为.研究发现：氢的上述行为均是吸热过程,但在α-Pu₂O₃与PuO₂中有显著不同：在α-Pu₂O₃中H可自发聚合成H₂,但在PuO₂中H难再聚合;在α-Pu₂O₃中H、H₂均能扩散,通常H会聚合成H₂再扩散,在PuO₂中H₂解离后才能扩散,且PuO₂中H沿高势能面的扩散比α-Pu₂O₃中H₂扩散更容易;在氢压、温度驱动下,氢在α-Pu₂O₃中存在H₂溶解到H+H₂混合溶解机制的转变,平衡气压P_H2远小于H在PuO₂中溶解的情况.基于此,给出PuO₂和α-Pu₂O₃中氢行为的微观图像和PuO₂的阻氢微观机制：PuO₂表面限制H₂解离、渗透,PuO₂块体限制H的溶解,但不阻止H扩散.结合钚氧化层表面氢行为研究获得了钚氢化孕育期的微观机制,为孕育期全过程理论建模提供依据.     

铀氢化反应过程中氢扩散行为的第一性原理研究

铀氢化反应动力学及产物形式受氢在铀氧化物及氢化物中的固溶、扩散等过程控制.本文利用第一性原理计算方法,研究氢在UO_2、α-UH_3、β-UH_3、PdH_x等介质中的固溶、扩散行为,从微观角度解释氢化反应各个阶段氢化反应速率的主要特征,并对α/β相生成的条件作一番探讨.研究表明,UO_2中较高的氢扩散势垒导致氢扩散到达氧化物-金属界面非常困难,这是氢化反应起始阶段存在孕育期的主要原因;与此相反,β-UH_3的氢具有非常低的溶解能和扩散势垒,且实际状态下β-UH_3的表面积非常大,对氢化反应具有显著的促进作用;PdH_x具有和α-UH_3相近且均略高于β-UH_3的溶解能和扩散势垒,这使得氢在其中的扩散速率较低,是Pd膜覆盖下铀氢化主要产物为α-UH_3的主要原因.     

锂改性点缺陷石墨烯储氢性能的第一性原理研究

本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了两种石墨烯点缺陷处原子的分波态密度(PDOS),能带结构和差分电荷密度等,研究了锂掺杂对两种本征石墨烯缺陷C-Bridge和C7557电子结构的改性,以及对其储氢能力的影响.结果表明Li原子能够稳定的掺杂且不易形成团簇,并且Li原子掺杂石墨烯能够对石墨烯能带中的狄拉克锥和费米面起到调控作用,增强了缺陷石墨烯的电子活性.本征缺陷石墨烯的储氢能力较弱,缺陷石墨烯的储氢能力可以通过Li掺杂来改善.     

γ-Fe中氢扩散行为的第一性原理研究

不锈钢中氢脆问题一直是研究者们关注热点,然而至今为止,对于钢中合金元素及空位与H原子之间的作用机理依然不清晰.采用第一性原理方法研究了H原子在不同体系下γ-Fe(Fe₈H、Fe₇Cr/MoH、Fe₇H)的扩散激活能、扩散系数以及扩散过渡态,对比了H原子在不同体系γ-Fe中的扩散难易程度,并从电子结构层次解释其相互作用.研究结果表明,空位的存在会改变H原子在γ-Fe中的扩散路径.在含空位的晶胞中H原子稳定存在于空位附近的近四面体间隙中,并沿空位附近的四面体间隙或八面体到四面体间隙路径扩散. γ-Fe中空位对H原子的影响是局域性的,一方面是捕获H原子的陷阱;另一方面降低了H原子的扩散激活能,促进H原子的扩散.而Cr/Mo的掺杂会降低空位对H原子的束缚,也会抑制H原子的扩散.     

锂离子电池硅基负极材料嵌锂行为的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,计算不同数量的锂离子引起的硅材料晶体结构的变化以及在嵌锂过程中形成Li_xSi(x=1、2、2.4、4.4)合金相的形成能与电子结构.采用LST/QST方法计算过渡态,模拟合金体相中的锂离子迁移过程.计算结果表明,随着嵌锂数量的增加,硅晶胞的体积在不断增大;Li_xSi合金相的形成能为负值,表明在嵌锂过程中锂离子和硅原子可以自发形成这些合金相,其中Li₇Si₃合金最容易形成;随着嵌锂量的增加,锂离子在费米能级处s轨道提供的电子数逐渐增加,锂硅合金在费米能级处的电子数量呈增大趋势,表明锂硅合金的导电性越来越优;常温下Li₂Si体相中很难直接形成锂离子空位,但锂离子空位的迁移过程很容易发生.     

α-Fe和γ-Fe中氢扩散行为的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了α-Fe和γ-Fe中氢扩散行为,建立了两相的H原子扩散系数与温度的关系式,对比了H原子在两相中扩散的难易程度,并结合2205双相不锈钢的氢致开裂试验对计算结果进行了实验验证.研究结果表明:H原子在α-Fe中所需扩散激活能较γ-Fe低,其容易在α-Fe的缺陷处聚集,并最终造成氢致开裂等严重后果;而2205双相不锈钢的HIC实验表明,裂纹在铁素体相中表现为穿晶型开裂,并且在传播过程中由于受到奥氏体相的阻碍,裂纹沿两相界面发展,表现出混合型开裂方式;综上所述,铁素体相更容易产生氢致裂纹,这进一步证实了本文计算结果的可靠性.     

锂薄膜的第一性原理计算:量子尺寸效应和原子氢的吸附

采用第一性原理方法计算Li（110）、（100）和（111）三个表面方向3至30层自由薄膜的表面能和氢原子的吸附能.随着层厚变化出现量子振荡现象,即量子尺寸效应.重点计算Li（110）表面吸附氢原子吸附高度、吸附氢原子前后费米能级处的态密度和功函数.这些量都随着层厚变化出现明显的量子振荡,且与表面能或吸附能的振荡有明显的相关性.计算发现Li（110）薄膜表面的功函数由于吸附氢原子而降低了约0.9 eV,吸附的氢原子拉低了最外层Li原子和真空层的静电势,导致吸附氢原子后功函数下降.     

合金元素对α-Fe氢扩散行为影响的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了H原子在α-Fe和α-Fe-Me(Me=Cr、Mo、Ni、Cu、Mn)晶胞中的扩散行为,建立了α-Fe和α-Fe-Me中氢扩散系数与温度间的关系表达式,探讨了合金元素Me对α-Fe中H扩散行为的影响作用.研究结果表明:合金原子Me与H原子间存在一定的键合作用,并且这种键合作用主要由Me价电子的d、s轨道与H的1s轨道所贡献;Cr、Ni、Cu、Mn元素将降低H原子扩散激活能,而Mo元素会提高氢扩散激活能,显著降低氢扩散系数,这说明添加适量Mo元素将有利于防止铁素体氢致开裂,这将对抗H₂S应力腐蚀新材料的设计提供一定理论依据.     

V/Pd界面氢吸附扩散行为的第一性原理研究

采用钒/钯(V/Pd)金属复合膜渗氢是从混合气体中分离氢气的一种有效实用方法.为深入地了解催化Pd层与金属膜结合处的界面结构与吸氢/渗氢特性的关联性,进而提升合金膜提纯氢气的能力,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了V/Pd金属复合膜界面的氢吸附/扩散行为.研究结果表明:由于V/Pd界面的电荷密度随着V/Pd成键而增加,导致氢原子(H)溶解能随着接近界面而增大,在V/Pd界面附近具有最高的溶解能(0.567 eV).氢迁移能垒计算表明,与H沿V/Pd界面水平扩散的最大能垒(0.64 eV)相比,H垂直V/Pd界面能垒(0.56 eV)更小,因而H倾向于垂直V/Pd界面进行迁移,并由Pd层扩散到V基体一侧,因V/Pd界面处Pd层的氢溶解能(0.238 eV)高于V膜侧(-0.165 eV),H将在界面的V膜侧积累,易引起氢脆.V基体掺杂Pd/Fe的计算表明,与未掺杂的能垒(0.56 eV)相比,掺杂Pd/Fe可明显地降低界面扩散路径中的最大能垒(0.45 eV/0.54 eV),利于氢的渗透扩散,且掺杂界面能一定程度抑制V和催化Pd层的相互扩散,提高复合膜的结构稳定性.     

含锰钢表面氢原子/氢分子吸附行为的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了氢原子和氢分子在纯铁表面和锰原子掺杂表面的吸附与解离行为.研究结果表明,氢原子可在纯铁(001)表面稳定吸附,吸附能按照顶位,桥位和心位依次增强;而溶质原子锰降低了氢原子距离表面的位置并强化了氢原子的吸附行为.氢分子在纯铁表面的吸附解离行为取决于氢分子距离模型表面的初始距离和初始空间构型.氢分子平行于纯铁(001)表面时,距离心位1.2?发生解离,而桥位、顶位均不会发生解离;氢分子垂直放置时,距离桥位0.6?、顶位1.0?发生解离,心位不会发生解离.氢分子平行于锰掺杂纯铁(001)表面时,距离桥位0.6?、顶位0.7?、心位1.2?发生解离;氢分子垂直放置时,距离桥位、心位0.8?发生解离,而顶位放置氢分子不发生解离.归纳可知,锰溶质原子掺杂会增加铁基体表面氢原子和氢分子的吸附作用并促进氢分子发生分解.     

Possible origin of ferromagnetism in un-doped ZnO: First-principles calculations

We performed first-principles calculations to investigate the electronic structures and magnetic properties of neutral and charged intrinsic defects of wurtzite ZnO. Our results show that an isolated single charged Zn vacancy can introduce a magnetic moment of 1.00μB, and may be responsible for the unexpected ferromagnetism in the system.     

超细硫化钼纳米线的电子结构和催化析氢性能的第一性原理研究

本文基于第一原理计算研究了一类新的1D超细硫化钼纳米线,包括Mo_2S_6、Mo_3S_6和Mo_6S_(10)纳米线.通过声子谱计算和600 K下的波恩-奥本海默分子动力学模拟,结果表明这些超细纳米线具有晶格动力学稳定性和较高的热稳定性.计算所得Mo_2S_6、Mo_3S_6和Mo_6S_(10)纳米线的弹性常数分别为21.33、103.22和163.00 eV/A.共中Mo_2S_6,Mo_3S_6纳米线是带隙为1.55和0.46 eV的半导体,而Mo_6S_(10)纳米线则表现为金属.另外,这些超细硫化钼纳米线可以作为催化剂用于析氢反应.对于Mo_2S_6纳米线,其氢吸附自山能变约为-0.05eV,这与Pt和H-MoS_2的氢吸附自由能变相当.这些1D硫化钼纳米线的预测可以丰富1D硫化钼家族,同时为理解过渡金属硫化物在析氢反应上的高效性能作为补充.     

First-principles study on structural,electronic and ferroelectric properties of Bi2VO5.5 compound

A first-principles investigation of the origin of ferroelectricity in the Aurivillius compound Bi₂VO_5.5 is presented. Calculations with the density functional theory, in conjunction with the modern theory of polarization, allowed us to study the structural, electronic, and polar properties of two configurations built with oxygen vacancies, causing a charge imbalance and a subsequent displacement of the ions, generating two maximum polarizations, one of 14.75 μC/cm² and one of 4.31 μC/cm² along [011] direction. Electron localization function schemes were used to identify the asymmetry of charges in (001), (010) and (100) planes. The results obtained in this study establish that the origin of ferroelectricity is due to the displacement of the ions caused by oxygen vacancies and the asymmetric distribution of the isolated pair of Bi ions. On the other hand, the bandgap calculations and the results of P_s establish that Bi₂VO_5.5 is a candidate ferro-photovoltaic material.     

Structural and Electronic Properties of Li2Mg(NH)2 for Hydrogen Storage: First-principles Study

应用第一原理方法研究了储氢材料α-Li₂Mg(NH)₂和β-Li₂Mg(NH)₂两种构型的结构性质和电子性质．计算优化得到的晶胞参数和N-H键长符合实验得到的数据．通过Murnaghan状态方程得到了体积模量和零压力下的能量,计算结果表明α-Li₂Mg(NH)₂为基态构型．通过Mulliken布居分析说明α构型的N-Li/Mg的离子特性和N-H间的交互作用都弱于β构型．态密度分析结果表明,价带轨道主要由N原子的s轨道和p轨道占据,并与H原子的s轨道杂化．     

First-principles study of C3N nanoribbons as anode materials for Li-ion batteries

The potential of C₃N nanoribbons used as anode material for lithium-ion batteries has been systematically investigated through first-principles calculations. The results suggest that C₃N nanoribbons have excellent mechanical properties (stiffness ranging from 286.28 to 412.69 N m⁻¹) and good electronic conductivity (with a bandgap of 0-0.31 eV). Further studies reveal that the H-passivated C₃N nanoribbons have high Li insertion capacity (708.60 mA h g⁻¹) and significantly enhanced Li binding strength (0.21-2.11 eV) without the sacrifice of Li mobility. The high stiffness, superior cycle performance, good electronic conductivity, and excellent Li migration capability indicate the great potential of C₃N nanoribbons to be an anode material. The calculated results provide the valuable insights for the development of high-performance C₃N nanoribbons electrode materials in lithium-ion batteries.     

First-principles calculations of contact effect on quantum transport in carbon nanotubes

We report first-principles calculations of conductance of carbon nanotubes between metallic electrodes. The electronic states are calculated using a numerical atomic orbital basis set in the framework of the density functional theory, and the conductance is calculated using the Green's function method. We show transmission spectra of carbon nanotubes connected to electrodes and reveal the contact effect of electrodes on the transport properties of nanotubes.     

First-principles study on the structural and electronic properties of ultrathin ZnO nanofilms

Using first-principles density-functional calculations, we have studied the structural and electronic properties of ultrathin ZnO {0001} nanofilms. The structural parameters, the charge densities, band structures and density of states have been investigated. The results show that there are remarkable charge transfers from Zn to O atoms in the ZnO nanofilms. All the ZnO nanofilms exhibit direct wide band gaps compared with bulk counterpart, and the gap decreases with increased thickness of the nanofilms. The decreased band gap is associated with the weaker ionic bonding within layers and the less localization of electrons in thicker films. A staircase-like density of states occurs at the bottom of conduction band, indicating the two-dimensional quantum effects in ZnO nanofilms.     

First-principles calculations on temperature-dependent elastic constants of rare-earth intermetallic compounds: YAg and YCu

We present the temperature-dependent elastic constants of two ductile rare-earth intermetallic compounds YAg and YCu with CsCl-type B2 structure by using a first-principles approach. The elastic moduli as a function of temperature are predicted from the combination of static volume-dependent elastic constants obtained by the first-principles total-energy method with density-functional theory and the thermal expansion obtained by the first-principles phonon calculations with density-functional perturbation theory. The comparison between our calculated results and the available experimental data for Ag and Cu provides good agreements. In the calculated temperature 0-1000 K, the elastic constants of YAg and YCu follow a normal behavior with temperature that those decrease with increasing temperature, and satisfy the stability conditions for B2 structures. The Cauchy pressure for YAg and YCu as a function of temperature is also discussed, and our results mean that YAg and YCu become more ductile while increasing temperature.     

CO分子在Co(0001)表面吸附的第一性原理研究

应用第一性原理对CO分子在Co(0001)表面( squar3× squar3)R30°−CO吸附结构进行不同形式的密度泛函计算研究. 结果表明：吸附能修正前,仅RPBE泛函预测CO顶位吸附;而修正后PW91、PBE和PKZB泛函结果也表明CO分子Top顶位吸附最稳定,与实验结果一致.对于吸附几何结构、吸附前后体系功函、C-O伸缩振动频率和CO分子态密度分布,所有泛函给出一致的结果,且与已有实验结果符合.     

表面氧钝化碳化硅纳米团簇电子结构和光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)和广义梯度近似(GGA),对氧钝化条件下4H-SiC纳米团簇的电子结构和光学性质进行了研究。计算了不同直径的4H-SiC纳米球氧钝化后的能带结构、电子态密度和光学性质。团簇的尺度在0.4~0.9 nm之间,构建表面仅存在硅氧双键和表面仅存在碳氧双键的两种模型。研究表明硅氧双键和碳氧双键所引起的缺陷态位于原4H-SiC的价带和导带之间,并且缺陷态与价带顶的能量差随纳米团簇颗粒直径的增大而减小;缺陷态主要是由Si原子外层电子和氧原子外层电子轨道杂化引起的。同时,由于氧的存在,对碳化硅的结构产生一定的影响,这也是缺陷态形成的一个原因。另外,碳氧双键和硅氧双键钝化对4H-SiC纳米团簇的光学性质有着不同的影响。在表面仅存在C=O的情况下,4H-SiC纳米团簇表现出各向同性的性质。在表面仅存在Si=O的情况下,4H-SiC纳米团簇表现出各向异性的性质。