Li含量对Li3xLa((2/3)–x?(1/3)–2x)TiO3固态电解质表面稳定性、电子结构及Li离子输运性质的影响

Li_3xLa₍(2/3)–x^?(1/3)–2x)TiO₃(LLTO)是一类颇具前景的锂离子电池固态电解质.本文采用第一性原理结合分子动力学方法对贫锂相和富锂相两种类型的LLTO表面进行研究,分析表面Li含量对其稳定性、电子结构及Li离子输运性质的影响.结果表明,具有La/O/Li-原子终端的(001)面为最稳定晶面.对于LLTO(001)面,当贫锂相/富锂相终端Li含量为0.17/0.33,0.29/0.40,0.38/0.45时,其表面结构更为稳定.电子结构分析表明,随着Li含量的增大,不论是贫锂相还是富锂相,其(001)表面均发现金属至半导体的转变.Li离子输运性质的研究结果表明,贫锂相和富锂相LLTO(001)表面均具有沿ab平面的二维扩散通道,且当终端Li含量分别达到0.38和0.40时具有最大的Li离子扩散系数及最低的Li离子扩散能垒,最低扩散能垒分别为0.42 eV和0.30 eV.因而,改变终端Li含量有利于提高LLTO(001)表面稳定性、打开表面带隙、改善Li离子迁移性能,这有助于...     

NH3分子在LiH（100）表面吸附的第一性原理研究

采用第一性原理方法研究了NH₃分子在LiH（100）晶面的表面吸附情况.通过研究LiH（100）/NH₃体系的吸附位置、吸附能和电子结构,发现NH₃分子在LiH（100）晶面主要是化学吸附,初始位置为NH₃分子中N-H键在Li顶住时失去一个H原子,并在LiH（100）面形成NH₂基,其吸附能为0.511 eV,属于强化学吸附,吸附作用最强.此时NH₂基与附近H原子和Li原子之间为离子键作用,NH₂基中N—H键为共价键;NH₃分子中另一个H原子与LiH表面的一个H原子形成一个H₂分子逸出表面.H₂分子中H-H键为明显的共价键.     

Li修饰的C24团簇的储氢性能

利用密度泛函理论研究了Li原子修饰的C₂₄团簇的储氢性能. Li原子在C₂₄团簇表面的最佳结合位是五元环. Li原子与C₂₄团簇之间的作用强于Li原子之间的相互作用, 能阻止它们在团簇表面发生聚集. 当Li原子结合到C₂₄表面时, 它们向C原子转移电子后带正电荷. 当氢分子接近这些Li原子时, 在电场作用下发生极化, 通过静电相互作用吸附在Li原子周围. 在Li修饰的C₂₄复合物中, 每个Li原子能吸附两到三个氢分子, 平均吸附能处于0.08到0.13 eV/H₂范围内. C₂₄Li₆能吸附12个氢分子, 储氢密度达到6.8 wt%.     

过渡族金属掺杂Al(111)表面对氢分子催化分解的影响

为了探求过渡金属催化剂对催化合成储氢材料NaAlH₄效果的影响, 本文采用第一性原理方法研究了多种金属原子取代Al (111)表面铝原子形成的合金表面对氢的催化分解的影响. 计算结果表明, Sc, V, Fe, Ti原子掺杂的表面对氢分子分解具有催化作用. H₂在对应的掺杂表面催化分解所需要的活化能分别为0.54 eV, 0.29 eV, 0.51 eV, 0.12 eV. H原子在Sc, V, Ti掺杂表面扩散需要的活化能分别为0.51 eV, 0.66 eV, 0.57 eV. 同时, 过渡金属掺杂在Al表面时倾向于分散分布, 增加掺杂表面的掺杂原子个数, 掺杂表面的催化效果体现为单个掺杂过渡金属原子的催化效果. 本研究将为金属掺杂Al (111)表面催化加氢合成NaAlH₄提供理论参考.     

H2 分子在Li3N(110)表面吸附的第一性原理研究

采用第一性原理方法研究了H₂分子在Li₃N(110)晶面的表面吸附. 通过研究H₂/Li₃N(110)体系的吸附位置、吸附能和电子结构发现: H₂分子吸附在N桥位要比吸附在其他位置稳定,此时在Li₃N(110)面形成两个-NH基,其吸附能为1.909 eV,属于强化学吸附;H₂与Li₃N(110)面的相互作用主要是H 1s轨道与N 关键词： 第一性原理 3N(110)')" href="#">Li₃N(110) 2')" href="#">H₂ 吸附和解离     

Ti原子在Al(110)表面吸氢过程中催化作用的第一性原理研究

运用第一性原理方法对H₂分子在Ti掺杂和纯的Al(110)表面的吸附情况进行了研究,发现有Ti原子掺杂时,存在一个H₂分子的吸附路径,即位于Al(110)面顶位Ti原子上方的H₂分子会发生解离,并与Ti原子形成TiH₂分子,然后TiH₂分子向能量更低的空位移动并接近Al(110)表面.态密度与电荷布居分析显示,吸附完成后H原子与表面Al原子存在较强的共价键作用,这为Al-H类物质及Na_{3 关键词： 钛 吸附 解离能 第一性原理}     

Li修饰的C$lt;sub$gt;6$lt;/sub$gt;分子对H$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;O的吸附研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似研究C₆Li吸附H₂O分子并将之进行分解的催化过程. 几何优化发现：Li原子最稳定的吸附位置是位于C 原子顶位上方. 研究表明,第一个H₂O 分子吸附在C₆Li上需要克服1.77 eV的能量势垒,然后分解为H和OH且与Li原子成键. 当吸附第二个H₂O分子时,第二个H₂O分子需要克服1.2 eV的能量势垒分解为H和OH,其中H与Li原子上的H原子结合成H₂,OH则替代Li 原子上的H结合在Li原子上. 因此C₆Li 可以作为催化剂将H₂O分子进行分解得到H₂. 分析可知：C₆Li主要是通过Li原子与H₂O之间形成的偶极矩作用来吸附H₂O 分子,与C₆₀Li₁₂ 的储氢机制类似. 研究结果可为储氢材料的制备提供一个新的思路. 关键词： 6')" href="#">C₆ Li 2O')" href="#">H₂O 密度泛函理论     

碳硼富勒烯衍生物C18B2M(M=Li,Ti, Fe)的储氢性能计算研究

本文使用密度泛函理论(density functional theory, DFT)中的广义梯度近似(generalized gradient approximation, GGA)研究了经碱金属原子Li、过渡金属原子Ti和Fe原子修饰的富勒烯C₁₈B₂M(M=Li, Ti, Fe)的储氢性能. 研究发现, C₁₈B₂由于B的替代掺杂, 比C₂₀对金属原子具有更高的结合能. 由平均吸附能分析可知: C₁₈B₂Li对H₂的吸附能力较弱, C₁₈B₂Fe对H₂的吸附能力过强, 而C₁₈B₂Ti对H₂的平均吸附能介于0.45-0.59 eV 之间, 介于物理吸附和化学吸附之间 (0.2-0.6 eV), 因此可以实现常温下的可逆储氢. C₁₈B₂M(M=Li, Ti, Fe)能够吸附的H₂数目最多分别为4, 6和4. 由储氢机理分析可知: C₁₈B₂Li主要通过碱金属离子激发的静电场来吸附H₂, 而C₁₈B₂Ti和C₁₈B₂Fe主要通过金属原子与H₂之间的Kubas作用来吸附H₂. 由于C₁₈B₂Ti既有较大的储氢数目, 又可以实现可逆储氢, 因此有望开发成新型纳米储氢材料.     

(H2O)6的稳定结构及异构过程研究

(H₂O)₆是形成三维立体结构的最小水分子团簇并具有能量较低的多个稳定异构体.本文利用从头计算方法研究了各稳定结构的异构化过程.(H₂O)₆的环状结构与最稳定结构的能量差0.31 eV为一个氢键的键能.水分子团簇的异构化是分子间氢键打开或重组的过程,不同异构体之间的转化每次只涉及一个氢键的打开或重组,异构化的能垒高度在0.07—0.21 eV之间. 关键词： 水分子团簇 2O)₆')" href="#">(H₂O)₆ 异构化过程 从头计算     

TiO2分子在GaN(0001)表面吸附的理论研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势法,计算了TiO₂分子在GaN(0001)表面的吸附成键过程、吸附能量和吸附位置. 计算结果表明不同初始位置的TiO₂分子吸附后,Ti在fcc或hcp位置,两个O原子分别与表面两个Ga原子成键,Ga-O化学键表现出共价键特征,化学结合能达到7.932-7.943eV,O-O连线与GaN[1120]方向平行,与实验观测(100)[001] TiO₂//(0001)[1120]GaN一致. 通过动力学过程计算分析,TiO₂分子吸附过程经历了物理吸附、化学吸附与稳定态形成的过程,稳定吸附结构和优化结果一致. 关键词： GaN(0001)表面 2分子')" href="#">TiO₂分子 密度泛函理论 吸附     

W_(20)O_(58)(010)表面氢吸附机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,在广义梯度近似下,研究了W_(20)O_(58)晶胞、W_(20)O_(58)(010)表面结构及其氢吸附机理.计算结果表明:W_(20)O_(58)晶体理论带隙宽度为0.8 eV,为间接带隙,具有金属性.W_(20)O_(58)晶体中W—O共振较强,以共价键居多.W_(20)O_(58)(010)表面有WO终止(010)表面和O终止(010)表面,表面结构优化后使得W—O键长和W—O—W键角改变,从而实现表面弛豫.分别计算了H_2分子吸附在WO终止(001)表面和O终止(001)表面的WO-L-O_(1c),WO-V-O_(1c),WO-L-O_(2c),WO-V-O_(2c),O-L-O_(1c)和O-V-O_(1c)六种吸附构型,其中WO-L-O_(1c),WO-V-O_(1c)和WO-L-O_(2c)这三种吸附构型不稳定;而WO-V-O_(2c),O-L-O_(1c)和O-V-O_(1c)这三种吸附构型都很稳定,H_2分子都解离成两个H原子,吸附能均为负值,分别为-1.164,-1.021和-3.11 eV.WO-V-O_(2c)吸附构型的两个H原子分别吸附在O和W原子上;O-L-O_(1c)吸附构型的两个H原子,一个与O原子成键,另一个远离了表面.其中O-V-O_(1c)吸附构型最稳定,两个H原子失去电子,为O原子提供电子.分析其吸附前后的态密度,H的1s轨道电子与O的2p,2s轨道电子相互作用,均形成了一些较强的成键电子峰,两个H原子分别与O_(1c)形成化学键,最终吸附反应生成了一个H_2O分子,同时产生了一个表面氧空位.     

电场诱导(MgO)12储氢的从头计算研究

管状(MgO)₁₂是(MgO)_n的幻数团簇, 非常稳定. 为研究电场对其储氢性能的影响, 本文在B3LYP/6-31G^**水平上研究了电场中H₂在(MgO)₁₂管状结构上的吸附性质. 结果表明 (MgO)₁₂能承受强电场而保持管状结构并被极化, 其偶极矩增大为场强0.01 a.u. 和0.02 a.u.时的9.21和19.39 deb (1 deb=3.33564×10^-30C·m). H₂能稳定吸附在单个Mg/O原子上. 无电场时H₂在Mg上为侧位吸附, 而在O上为端位吸附; 电场中, H₂在Mg和O上均为端位吸附, 且其分子取向沿外电场方向. 由于(MgO)₁₂ 及H₂均被电场极化, 因此H₂在(MgO)₁₂部分位置上的吸附强度显著提高. H₂在3配位的Mg/O上的吸附能由无电场时0.08/0.06 eV分别提高到场强为0.01 a.u.和0.02 a.u.时的0.12/0.11 eV 和0.20/0.26 eV. 电子结构分析表明H₂吸附在Mg原子上时, 向团簇转移电荷, 电场极化效应是其吸附能较无电场时增大的主要原因. 吸附在O原子上时, 一方面由于O阴离子极化效应更强; 另一方面, H₂从(MgO)₁₂得到电荷, 其价轨道与团簇价轨道重叠形成化学键, 因此电场效应更显著. 电场中(MgO)₁₂最多能吸附16个H₂, 相应的质量密度为6.25 wt%.     

元素替代对MgH2储氢材料释氢影响机理的第一原理研究

用基于密度泛函理论的赝势平面波第一原理方法研究金属元素替代对MgH₂释氢的影响机理.结果表明：带隙的宽窄和带隙中是否存在杂质能级是影响MgH₂储氢材料释氢性能的关键因素,Nb,Fe,Ti,V在能隙近中央引入杂质能级,使得MgH₂的H-Mg键键强减弱,有利于放氢.La在导带底引入杂质能级,降低带隙宽度,晶体中结合最弱的键断裂变得容易,也有利于放氢.Nb,Fe,Ti,V,La与近邻氢原子间形成共价键,形成金属氢化物,对释氢起到催化作用.La与H间的共价作用较弱,其金属氢化物的催化作用相对较弱.掺杂元素使Mg与周围H的静电作用力不对称,与Mg作用力小的H容易释放出来,起到提高MgH₂释氢的作用.比较发现V,Fe明显降低Mg-H间的离子键强度.     

Na+替位掺杂对Li2MnSiO4的电子结构以及Li+迁移过程的影响

在锂二次电池中, 硅酸锰锂作为正极材料得到广泛研究, 但其固有的电子和离子电导率较低, 直接影响着电池的功率密度和充放电速率. 本文建立了不同浓度的Na⁺离子替位掺杂Li⁺离子形成的Li_1-xNa_xMnSiO₄(x=0, 0.125, 0.25, 0.5)结构, 采用第一性原理的方法, 研究了掺杂前后硅酸锰锂的电子结构以及Li⁺离子的跃迁势垒. 发现在Li⁺位替代掺杂Na⁺, 导带底的能级向低能方向发生移动, 降低了Li₂MnSiO₄ 材料的禁带宽度, 有利于提升材料的电子导电性能. 随着掺杂浓度的升高, 禁带宽度逐渐变窄. CI-NEB结果表明, 在Li₂MnSiO₄体系中具有两条有效的Li⁺离子迁移通道, 掺杂Na⁺以后扩大了Li⁺ 离子在[100]晶向上的迁移通道, Li⁺离子的跃迁势垒由0.64 eV降低为0.48, 0.52和0.55 eV. 掺杂浓度为 x=0.125时, 离子迁移效果最佳. 研究表明Na⁺掺杂有利于提高Li₂MnSiO₄材料的离子和电子电导率.     

三氧化钨表面氢吸附机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,在广义梯度近似下,研究了立方WO_3,WO_3(001)表面结构及其氢吸附机理.计算结果表明立方晶体WO_3理论带隙宽度为0.587 eV.WO_3(001)表面有WO终止(001)表面和O终止(001)表面两种结构,表面结构优化后W—O键长和W—O—W键角改变,从而实现表面弛豫;WO终止(001)表面和O终止(001)表面分别呈现n型半导体特征和p型半导体特征.分别计算了H原子吸附在WO终止(001)表面和O终止(001)表面的H—O_(2c)—H,H—O_(2c)…H—O_(2c),H—O_(1c)—H和H—O_(1c)…H—O_(1c)四种吸附构型,其中H—O_(1c)—H吸附构型的吸附能最小,H—O键最短,H失去电子数最多,分别为-3.684 eV,0.0968 nm和0.55e,此吸附构型最稳定.分析其吸附前后的态密度,带隙从吸附前的0.624 eV增加到1.004 eV,价带宽度基本不变.H的1s轨道电子与O的2p,2s轨道电子相互作用,在-8和-20 eV附近各形成了一个较强的孤立电子峰,两个H原子分别与一个O_(1c)原子形成化学键,最终吸附反应生成了一个H_2O分子,同时产生了一个表面氧空位.     

H,Cl和F原子钝化Cu_2ZnSnS_4(112)表面态的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法系统研究了Cu_2ZnSnS_4体相的晶格结构、能带、态密度及表面重构与H,Cl和F原子在Cu_2ZnSnS_4(112)表面上的吸附和钝化机理.计算结果表明:表面重构出现在以金属原子Cu-Zn-Sn终止的Cu_2ZnSnS_4(112)表面上,并且表面重构使表面发生自钝化;当单个H,Cl或F原子吸附在S原子终止的Cu_2ZnSnS_4(112)表面上时,相比于桥位(bridge)、六方密排(hcp)位和面心立方(fcc)位点,三种原子均在特定的顶位(top)吸附位点表现出最佳稳定性.当覆盖度为0.5 ML时,无论H,Cl还是F原子占据Cu_2ZnSnS_4(112)表面的2个顶位均具有最低的吸附能.以S原子终止的Cu_2ZnSnS_4(112)表面在费米能级附近的电子态主要由价带顶部Cu-3d轨道和S-3p轨道电子贡献,此即表面态.当H,Cl或F原子在表面的覆盖度达0.5 ML时,费米能级附近的表面态降低,其中H原子钝化表面态的效果最佳,Cl原子的效果次之,F原子的效果最差.表面态降低的主要原因在于吸附原子从S原子获得电子致使表面Cu原子和S原子在费米能级处的态密度峰几乎完全消失.     

Li掺杂少层MoS2的电荷分布及与石墨和氮化硼片的比较

基于第一性原理计算, 研究了Li掺杂的少层(1-3层) MoS₂的电荷分布, 并与石墨片和BN片的电荷分布特征进行了比较. 与石墨片和BN片相同的是: 电荷转移的大部分只发生在Li与最靠近Li的第一层MoS₂之间. 然而, 第二层和第三层MoS₂也能获得10%的转移电荷, 而石墨片和BN片的第二层和第三层得不到2%的电荷. 结合静电能和功函数的分析可知, MoS₂、石墨片和BN片的电荷分布主要由层间的静电相互作用和功函数来决定. 这些研究结果对于揭示具有多层结构的电荷分布特征及其电子器件的设计提供了理论支持.