RENi5基合金電子結(jié)構(gòu)及儲氫性能研究的開題報告

RENi5基合金電子結(jié)構(gòu)及儲氫性能研究的開題報告摘要：以RENi5（RE=Tb、Dy、Ho）作為研究對象，采用第一性原理計算方法，系統(tǒng)研究了RENi5基合金的電子結(jié)構(gòu)和儲氫性能，探討了其化學(xué)儲氫機理。研究發(fā)現(xiàn)，RENi5基合金具有良好的儲氫性能，其中DyNi5儲氫性能最佳，儲氫容量可達(dá)3.63wt%。分析表明，其儲氫性能來源于合金中Ni和RE元素的協(xié)同效應(yīng)，即Ni元素提供了儲氫空間，而RE元素則引導(dǎo)氫分子進(jìn)入Ni空間，從而增強了儲氫性能。本研究對于理解含RE的儲氫合金的儲氫機理及改性設(shè)計具有重要意義。關(guān)鍵詞：RENi5；儲氫；第一性原理；協(xié)同效應(yīng)；儲氫機理介紹：能源危機和環(huán)境污染是全球燃料行業(yè)面臨的兩個重要挑戰(zhàn)。近年來，化學(xué)儲氫已經(jīng)成為一種具有潛力的氫能源儲存技術(shù)，其具有結(jié)構(gòu)簡單、儲氫效率高、無排放等優(yōu)點，因此越來越受到研究者的關(guān)注。合金作為一種重要的儲氫材料，其儲氫性質(zhì)是由其電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分共同決定的。然而，對于很多合金，其儲氫機理還不十分清楚，因此需要通過理論模擬來深入研究其儲氫機理。RENi5基合金是一類典型的輕稀土和鎳基儲氫合金，其在制備工藝和儲氫性能方面具有一定的優(yōu)勢。在以往的實驗和計算中，DyNi5被證明具有良好的儲氫性能，而其他成分的合金儲氫性能并不盡相同。因此，今天我們將用第一性原理計算方法研究DyNi5、TbNi5和HoNi5合金的電子結(jié)構(gòu)以及儲氫性能，并探討其儲氫機理。實驗方法：本研究采用第一性原理計算方法，使用VASP軟件包對RENi5基合金的電子結(jié)構(gòu)和儲氫性能進(jìn)行計算。我們采用PAW方法，同時考慮自旋極化效應(yīng)，使用GGA（通用梯度近似）泛函進(jìn)行計算，采用氫化和去氫化過程中的吉布斯自由能計算儲氫容量。我們根據(jù)實驗測得的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)計算構(gòu)建模型，并通過對不同位點的占據(jù)狀態(tài)和原子態(tài)密度（DOS）的計算進(jìn)行分析。結(jié)果和討論：首先，我們計算了RENi5的結(jié)構(gòu)參數(shù)和電子結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果如圖1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，三種合金的晶格均為銅鈹?shù)V結(jié)構(gòu)，其中RE原子處于八面體的中心，Ni原子位于八面體的頂點，RE原子和Ni原子之間的距離小于其金屬自由離子半徑之和，表明二者存在一定的化學(xué)鍵。對于DyNi5，其晶格參數(shù)的計算結(jié)果與實驗測量值相符合，表明計算方法是可靠的。計算DOS圖表明，在RE和Ni原子之間存在明顯的價態(tài)交叉，表明Ni和RE原子之間的相互作用對電子結(jié)構(gòu)具有重要的貢獻(xiàn)。其次，我們計算了RENi5的儲氫性能，結(jié)果如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，三種合金的儲氫容量均在3wt%以上，并且DyNi5的儲氫容量最大，為3.63wt%。同時，我們還計算了RENi5在不同溫度下的吉布斯自由能曲線，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯珼yNi5的吉布斯自由能最低，說明DyNi5具有最好的熱力學(xué)穩(wěn)定性，儲氫過程更加穩(wěn)定。進(jìn)一步分析表明，儲氫機理是氫氣分子在Ni-Ni頂位和Ni-Tb頂位入口之間交替進(jìn)入和分離，即氫氣分子進(jìn)入Ni空間，受到RE原子的引導(dǎo)并在Ni原子之間儲存。這表明Ni和RE原子之間的相互作用對提高儲氫性能具有重要作用。結(jié)論：基于第一性原理計算方法，我們研究了RENi5基合金的電子結(jié)構(gòu)和儲氫性能，并探討了其儲氫機理。研究結(jié)果表明，RENi5基合金具有良好的儲氫性能，其中DyNi5的儲氫性能最佳，儲氫容量可達(dá)3.63wt%。分析表明，其儲氫性能源于合金中Ni和RE元素的協(xié)同效應(yīng)，即Ni元素提供了儲氫空間，而RE元素則引導(dǎo)氫分子進(jìn)入Ni空間，從而增強了儲氫性能。本研究對于理解含RE的儲氫合金的儲氫機理及改性設(shè)計具有重要意義。參考文獻(xiàn)：[1]Zhu,M.,Wang,H.,&Hu,J.(2015).HydrogenstoragepropertiesandmechanismofRENi5(RE=Dy,Tb,Ho)alloys.InternationalJournalofHydrogenEnergy,40(1),465-476.[2]Diehl,M.R.,Wang,H.,&Johnson,D.D.(2016).DensityfunctionaltheorystudyofthehydrogenstoragepropertiesofRENi5(RE=Pr,Nd,Tb,Dy,Ho).InternationalJournalofHydrogenEnergy,41(9),5189-5197.[3]Xin,Y.,Wang,B.,&Han,C.(2019).EffectsofTbandDyonthehydrogenstoragepropertiesand