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金属Nb及其空位与H的相互作用的第一性原理研究

饶建平  
【摘要】:随着社会和人类文明的进步,全世界的能源消耗迅猛增长,传统的石油、煤炭等化石能源不仅面临日趋枯竭的局面,而且利用化石能源所带的温室效应、环境恶化等日渐突出。因此,积极寻找清洁的可再生能源已经成为全人类的共识,也是摆在全世界人民面前的一个重要任务。 氢(H)是地球上含量极为丰富的元素,而且具有燃烧热值高,氧化产物无污染等优越性,因此被认为是未来最有前途的新能源。近几十年来,世界许多国家对氢表现出极大关注,对氢气的制备、提纯、存储等进行积极研究。常规的工业制氢工艺有很多种,利用氢气分离薄膜,从天然气或其它混合气体中分离提纯获取被认为是一种很有效的制氢方法。在该方法中,氢分离膜的特性(如选择性、渗透率、扩散等)显然是至关重要的,而金属膜在综合性能上往往更具有优势。目前广泛应用的氢分离膜就是钯基金属膜,如Pd-Ag,Pd-Cu等合金薄膜。近几年来,各国研究者将更多的注意力投向了无钯基金属膜的研究,因为相对于钯基薄膜,无钯基薄膜更便宜。钒族金属(V,Nb,Ta)因它对氢有高的渗透率而受到较多的关注和研究,然而氢脆带来的稳定性和耐久性问题在很大程度上影响它们的大规模应用。虽然近些年很多实验小组对氢脆问题展开了专门的研究,然而与氢脆相关的一些基本物理问题依然没弄清楚。 近些年,很多第一性原理计算用于研究氢脆上,得出以下四个主要的解释机理:(ⅰ)形成氢化物相;(ⅱ)提高了局部的应力:(ⅲ)品界弱化:(ⅳ)有泡沫的形成。经过了专门的研究,普遍认为位错对氢脆是很重要的一方面,大部分人认为氢的引进是位错移动式脆化的前奏,断裂面是沿着材料滑移面的。然而,空位无所不在地存于材料中,它可以引进杂质缺陷,同时氢与金属的相互作用也和材料中的氢脆有着密切的关系,然而空位和氢与金属相互作用对氢脆相关的细节研究较少。 本文对钒族金属Nb作为氢分离膜的一些基本物理问题做了第一性原理计算研究。第一,我们研究了金属Nb和间隙氢H原子间的相互作用。首先研究了Nb的晶体结构,对四面体T位和八面体O位溶解能进行比较,得出氢在金属Nb的四面体T位更稳定:其次,对其电子结构进行了系统的研究,我们通过态密度(DOS)图分析,得出四面体T位上H的1s电子和Nb的4d,5s,4p态电子之间有很强的成键作用,形成的成键态能级大约在Fermi能级以下6.7eV左右,这和分解态密度图的分析是一致的,进而得出四面体T位氢更稳定;最后通过弹性能带方法,计算了H在金属Nb中的扩散势垒大约为0.17eV,并以此估计了500℃时H在金属Nb中的扩散系数为7.8×10-9m2/s,这和实验上的观察是一致的。第二,我们分析了金属Nb中空位与氢的相互作用。首先,我们介绍计算的巨正则统计模型,其次,讨论了空位和氢的相互作用能,从束缚能和溶解能得出在空隙中没有H2分子形成的结论,最后,我们讨论了空位浓度,通过在573K温度下的空位浓度计算曲线分析,我们得出空位浓度随着氢浓度的增加而增加。当H/M的比接近于0.6时,Vac-H的浓度接近于10-3,和实验观察符合得很好。


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