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本文从掺杂的角度探讨了NaMgH3的稳定性以及影响其放氢性能的机理。主要分为两部分内容,即阴离子掺杂和阴阳离子共同掺杂。计算过程采用基于密度泛函理论(DFT)的第一原理平面波赝势(PW-PP)方法,系统的研究了通过卤素元素掺杂后的化合物Na4Mg4H12-xFx (x=0,1,2,3)、Na4Mg4H12-xClx (x=0,1,2)和LixNa4-xMg4H11f(x=0,1,2)的电子结构、焓变(反应焓、取代焓和形成焓)和态密度,同时与相关的实验数据进行对比,并且分析了焓变和取代前后氢元素态密度变化对体系放氢性能的影响。论文的主要研究结果如下:
(1)对钙钛矿结构的NaMgH3及氟替代后的NaMgH3结构进行几何优化,给出了弛豫后的各原子占位。
(2)计算了Na4Mg4H11F的形成焓,取代焓以及反应焓。取代焓的值是负数,从热力学的角度证明了氟离子取代一个氢离子是可行的,取代后形成的氢化物是稳定的。反应焓的计算结果表明以发生放氢反应的可能性较大。
(3)分别对Na4Mg4H12-xFx (x=0,1,2,3)的反应焓和态密度进行了分析。氟的掺杂有效地降低了系统的反应焓,改善了体系的热力学性能。在投影态密度(PDOS)图可以看出,随着氟氢比的增加,整个H的能带都向费米能级漂移,而Na、Mg的主峰则由于F的进入远离费米能级。这表明取代后H与Na及Mg的交互作用减弱,氢在氢化物中的稳定性降低,氢化物的放氢能力增强。
(4)考虑了其它卤族元素对体系放氢能力的影响。通过反应焓变的比较可以看出氯的作用要比氟的作用明显。因此,从热力学的计算结果来看,氟氯掺杂NaMgH3后以反应发生放氢反应的可能性较大。
(5)探讨了阴阳离子共同掺杂对NaMgH3稳定性的影响。从投影态密度(PDOS)图可以看出,随着锂钠取代比例的增加,H-1s能带靠近费米能级处的峰高增强,能带向费米能级处漂移,表明氢在氢化物中的稳定性降低,有利于氢化物的放氢。
通过以上的研究发现,掺杂卤素元素对储氢氢化物的稳定性有显著的影响。掺杂元素电负性越大,其与金属元素间的相互作用增强,从而导致氢与金属元素的相互作用减弱,氢化物中氢稳定性降低,放氢能力增强。