H_2分子在金属氮化物表面吸附的第一性原理研究

【摘要】金属络合物储氢材料因其高容量储氢且具有一定的可逆性而备受关注,尤其是M-N-H(M是指Ⅰ-Ⅳ族和一些过渡族金属)系列储氢络合物引起人们关注。目前,对M-N-H系络合物的储放氢反应机理的研究还十分有限。本文采用第一性原理密度泛函理论,对金属氮化物Mg3N2、Li3N以及两个体系的相互掺杂进行了理论计算,研究H2分在金属氮化物表面的吸附机理。采用第一性原理方法研究了H2分子在Mg3N2(110)表面的吸附情况。Mg3N2(110)表面有两种终止面,分别为ModelⅠ和ModelⅡ。通过研究Mg3N2(110)/H2体系的吸附位置、吸附能以及电子结构发现,H2分子在Mg3N2(110)表面主有四种吸附形式：第一种吸附形式中H原子分别吸附于两个N原子上,形成NH基；第二种吸附形式是两个H原子吸附在同一个N原子上形成NH2基；第三种吸附形式中一个H原子吸附在N原子上,形成NH基,而另一个H原子吸附在Mg原子附近,这三种吸附形式均为化学吸附；H2还能以分子形式吸附晶体表面附近,这种吸附形式为物理吸附。H2分子与Mg3N2(110)表面的作用主要源于H原子的1s轨道与表层N原子的2s,2p轨道重叠杂化的贡献,N-H键为共价键,其键长为1.040A和1.036A。采用第一性原理计算了H2在Mg3N2(110)表面的吸附特性以及Li原子掺杂后的吸附特性。比较发现,主要有三种化学吸附形式,一种是H原子分别吸附在两个N原子上形成两个NH基；一种是吸附在同一个N原子上形成NH2；一种是一个H原子吸附在N原子附近,另一个H原子吸附在Mg附近。掺杂后吸附变能增大,吸附稳定,在2-N-b位置,NH键被削弱,利于放H,而7-N-t位置,NH键被加强,不利于放H。从态密度比较可以看出,NH之间是以供价键形式结合,掺杂后N和H出现一定的能级分裂,在价带顶分布增大。采用第一性原理方法研究了H2分子在Li3N(001)表面的吸附特性以及Mg原子替代后相应位置的吸附特性。在Li3N(001)表面主要有两种化学吸附形式,一种是H2分子解离后2个H原子吸附在2个N原子上,形成NH基；一种是H2分子解离后2个H原子吸附在1个N原子上,形成NH2。Mg原子替代后,在较稳定位置吸附能减小,由态密度比较可以发现,N与H的共振能级向深处移动,体系的禁带消失,显示出更强的金属性,体系活性增强。
【作者】张丙文；
【导师】陈玉红；
【作者基本信息】兰州理工大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】密度泛函理论；储氢材料；电子结构；

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