镁基储氢材料吸放氢性能的理论研究

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 氢能概述 1

1.2.1 氢能的特点 1

1.2.2 氢能开发利用所面临的问题 2

1.3 金属储氢材料概述及开发现状 3

1.4 镁基储氢材料吸放氢机理及特性 4

1.4.1 镁基储氢材料吸放氢机理 4

1.4.2 镁基储氢材料吸放氢的热力学与动力学特性 5

1.5 镁基储氢材料的研究现状及存在的问题 7

第2章 理论基础与研究方法 11

2.1 第一性原理计算 11

2.2 密度泛函理论 12

2.3 交换-关联泛函近似 13

2.4 赝势 14

2.5 计算软件 14

2.5.1 Material Visualizer模块 15

2.5.2 DMol3模块 15

2.5.3 CASTEP模块 15

2.6 本章小结 16

第3章 镁基储氢材料表面吸氢行为研究 17

3.1 引言 17

3.2 计算模型的构建与计算方法 18

3.2.1 计算模型的构建 18

3.2.2 计算方法 18

3.3 体与表面模型测试 19

3.4 结果分析与讨论 21

3.4.1 Mg（0001）表面弛豫及电子结构 21

3.4.2 H/H2在Mg（0001）表面的吸附 22

3.4.3 H2在Mg （0001）表面的解离 28

3.4.4 H原子在Mg（0001）表面的扩散 29

3.5 本章小结 31

第4章 表面缺陷/修饰对镁基储氢材料表面吸氢行为的影响 32

4.1 引言 32

4.2 计算模型的构建与计算方法 33

4.2.1 计算模型的构建 33

4.2.2 计算方法 35

4.3 表面模型测试 35

4.4 结果分析与讨论 36

4.4.1 H2在空位缺陷及Pd原子修饰Mg （0001）表面的吸附构型 36

4.4.2 H2在空位缺陷及Pd原子修饰Mg （0001）表面的解离 39

4.4.3 H原子在空位缺陷Mg（0001）表面的扩散 42

4.4.4 空位缺陷及Pd原子对H2吸附与解离催化的微观机制 44

4.5 本章小结 46

第5章 镁基储氢材料表面放氢行为及表面改性研究 47

5.1 引言 47

5.2 计算模型的构建与计算方法 48

5.2.1 计算模型的构建 48

5.2.2 计算方法 48

5.3 体与表面模型测试 49

5.4 结果分析与讨论 51

5.4.1 MgH2表面弛豫及电子结构 51

5.4.2 H2在MgH2表面的脱附性能 55

5.4.3 H原子在MgH2表面的扩散性能 59

5.4.4 H2在具有Mg空位及Pd修饰MgH2表面的脱附性能 62

5.4.5 空位缺陷与Pd对MgH2表面脱氢性能的改性机制 65

5.5 本章小结 67

第6章 镁基储氢材料合金化效应研究 69

6.1 引言 69

6.2 计算模型的构建与计算方法 70

6.2.1 计算模型的构建 70

6.2.2 计算方法 70

6.3 计算结果与讨论 71

6.3.1 晶体几何结构 71

6.3.2 形成热 74

6.3.3 H原子解离能 76

6.3.4 置换固溶热与空位形成能 79

6.3.5 电子机制分析 81

6.3.6 第二相对MgH2放氢能力的影响 84

6.4 本章小结 92

第7章 镁基储氢材料应变效应研究 95

7.1 双轴应变对MgH2放氢性能的影响及机理 95

7.1.1 引言 95

7.1.2 计算模型的构建与计算方法 96

7.1.3 结果分析与讨论 96

7.2 单/双/三轴应变对MgH2放氢热力学的影响及机理 104

7.2.1 引言 104

7.2.2 计算模型的构建与计算方法 105

7.2.3 计算结果与讨论 105

7.3 单/双/三轴应变对MgH2放氢动力学的影响及机理 108

7.3.1 引言 108

7.3.2 计算模型的构建与计算方法 110

7.3.3 结果分析与讨论 110

7.4 本章小结 116

第8章 镁基储氢材料催化效应研究 117

8.1 石墨烯掺杂对MgH2放氢性能的影响及机理 117

8.1.1 引言 117

8.1.2 实验方法与计算方法 118

8.1.3 结果分析与讨论 119

8.1.4 机理分析 123

8.2 石墨烯和镍分序掺杂对MgH2放氢性能的影响及机理 125

8.2.1 引言 125

8.2.2 实验方法与计算方法 126

8.2.3 结果分析与讨论 127

8.2.4 机理分析 130

8.3 本章小结 134

参考文献 135