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高压下AlH_3相变的第一性原理研究

吴晓  
【摘要】: 在全球温暖化和化石燃料枯竭日趋严重的情况下,作为下一代无污染的二次能源——氢能源的开发已经迫在眉睫。然而,在实现氢能源的利用时候,氢气的储运和存储依旧是目前全球面临的首要问题。 一直以来,相继出现各种关于氢气储藏的新方案。特别是近年来,作为固体的氢气储藏技术,新型储氢合金的开发是进行得如火如茶。现在得到积极开发的储氢材料主要是氢化铝——AlH3,这种材料是一种含氢量较高的氢化物,它的氢的储藏密度为10.1wt.%(质量百分比),比以往的储氢合金2~3 wt.%左右的质量储藏密度高得多。另外,氢的储藏密度也达到了149g/L(是液态氢的两倍多)。 因此,该材料引起了人们很大的兴趣。近些年来,国内外对于AlH3在常压下的性质进行了不少研究。目前实验表明:在常温常压下该材料至少有10种不同相的存在。同时,从七十年代初开始,人们开始探索:能否采用固体氢化物作为始态的途径来得到金属氢?能否可以在高压条件下获得含氢量高的,结构稳定的固体氢化物燃料?于是人们开始探索在高压条件下AlH3的性质。目前,已通过理论和实验证明,在压强增大的过程中,AlH3会发生下面的相变过程:由常压下最稳定的α相→Pnma→Pm-3n,它们所对应的相变压强分别为34GPa和73GPa。在本篇文章中,我们应用第一性原理来继续研究在更高压强(73GPa)下,AlH3可能发生的相变过程以及存在的更加稳定的结构。通过对R-3C,Pnma,Pm-3n,Pbcm这些在常压下稳定的相进行分子动力学模拟和结构的优化,我们得到了一些新的稳定的相。然后根据三阶Birch-Murnaghan物态方程通过拟合计算得到不用结构的能量随体积变化的曲线图,分析表明存在一种没有对称性的结构P1,当压强达到370GPa的时候,Pm-3n相会转化为更为稳定的P1相。


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