K-B-H系储氢材料的第一性原理研究

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全世界都面临着能源危机,而氢能是最受欢迎的能源。但氢能面临着储氢难的障碍,我们必须研究开发性质优越的储氢材料。基于密度泛函理论的第一性原理计算已经成为研究储氢材料最广泛、最有效的工具。科学家们已经在这方面做了深入研究。正是在这样的背景下进行了下面二方面的研究。1.主要是在基于密度泛函理论(DFT)的平面波赝势(PBE)方法下,采用广义梯度近似,对KBH4分解的中间相K2B12H12的晶格参数、电子结构以及晶格振动、态密度四个方面进行了系统的研究。研究得出K+2B12H12由K和[B12H12]2-两部分组成,并且二者之间通过离子键的形式结合。而[B12H12]2-离子团中B原子和H原子之间通过共价键的形式存在着相互作用。从晶格振动的声子态密度可以得出,K2B12H12中K+离子与[B12H12]2-离子团之间的键能比较低,容易断裂。而[B12H12]2-离子团中B原子与H原子之间的键能较大,断裂需要更高的能量。也就是说对于K2B12H12的放氢需要更高的温度。我们还从理论方面预测了KBH4的稳定性,还应用密度泛函理论研究了α、γ相KBH4的晶体结构、电子结构以及KBH4的热力学反应。我们优化了所有可能在反应中生成化合物的原子位置和晶格常数。从晶体结构和电子结构计算中表明,内部离子K+和[BH4]-之间为离子键,[BH-4]中硼氢原子之间B-H为共价键。电子态密度计算表明γ-KBH4的能隙为7.8eV,并且显示γ-KBH4为绝缘体。最后分别计算了二个可能分解反应的焓变、熵及分解温度。计算表明,有K2B12H12的生成对KBH4的分解是有益的。2.我们用密度泛函理论计算研究了NaK(BH42的晶体结构和热力学反应。分析了NaK(BH42的电子结构,表明金属阳离子与离子团[BH4]-之间成离子键作用,离子团[BH4]-中B原子和H原子之间呈共价键作用。研究NaK(BH42的态密度可知,NaK(BH42是绝缘体,并且能隙为6.1eV。经过密度泛函计算我们预测NaK(BH42不稳定,在室温或更高温度将分解为NaBH4和KBH4。我们还得出如果有低振动熵的XnB12H12(X=锂,钾,钙)作为中间产物,对于NaK(BH42的放氢反应是有益的。我们的热力学计算表明NaK(BH42与LiBH4、Ca(BH42结合可以释放出大量的氢气。希望我们的研究,能对储氢材料的实验研究提供一些理论指导。
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