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NaAlH_4吸氢过程中Ti的催化机理的第一性原理研究

曹一杰  
【摘要】: NaAlH4因其具有较高的储氢容量(理论:5.6%wt.%)及较温和的循环条件而被认为是最有实用价值的储氢体系,而对于其加入含Ti化合物后的吸氢机制目前尚不清楚,这阻碍了该储氢体系的实际应用。本文运用第一性原理对Ti在NaAlH4体系吸氢过程中的催化作用的机理进行了研究,具体内容如下: 第3章对一个Ti原子在纯Al(100)、(110)和(111)面的吸附过程进行了研究,计算了吸附能、态密度及Mulliken原子集居数。Ti-Al间原子集居数显示Ti掺杂后主要与Al原子形成无定形的TiAln(n1)物质。 第4章对一个H2分子在纯Al(100)、(110)和(111)面的吸附情况进行了研究,计算了吸附能和H2分子的解离能。对H2分子解离过程中过渡态的搜寻结果表明,纯Al表面H2分子分解时需要克服0.51004eV的势垒,说明纯Al与H2分子在常温下很难发生反应,这与实验结论相符。 第5章在第3章结论基础上,研究了一个H2分子在Ti掺杂后的Al表面的吸附状况,计算了H2分子的键长、吸附能、解离能,发现在Al(111)面的三重洞位(fcc),H2分子分解为H原子。空间构型表明,Ti原子吸附于三重洞位(fcc)后向Al表面内部凹陷,同时周围Al原子向外凸出,这增大了Al与H2分子的接触面积。态密度及Mulliken电荷集居数分析表明,H与Al原子存在较强的共价键作用,这为Al-H类物质以及Na3AlH6和NaAlH4的生成奠定了基础。分析表明H2分子的解离主要是Al原子和Ti原子的共同作用,这不同于传统上认为H2分子的解离仅是Ti原子作用的观点。Ti的作用主要是向表面Al原子提供电子进而促进Al-H间作用。过渡态搜寻结果表明,Ti的掺入有效的降低了H2分子分解所需的激活能。 第6章研究了有Ti掺杂及纯NaH(100)表面H2分子的吸附情况,发现Ti掺杂后的NaH(100)面有利于H2分子分解与富集。 以上结论有望对深入分析Ti的催化机理提供一定的理论支持,同时对含Ti类催化剂的选择及掺杂方式的改进起到一些指导作用。


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