氢在钯基三元合金中的热力学与扩散行为的原子尺度模拟

近年来由于世界石油资源面临枯竭，氢气作为一种清洁的替代能源得到了日益广泛的重视。目前基于钯的致密金属薄膜在氢气分离与提纯技术中得到了广泛的应用。如何通过合金化方法增强钯膜的抗有害气体失活能力及抗氢脆能力，同时保持良好的氢渗透率是钯膜设计中的一个重要科学问题。仅凭实验方法来探索钯基多元合金的宽广成分范围以获得最优的材料性能不仅耗资巨大，而且效率低下。本项目将通过特殊准随机结构模型、量子力学第一性原理计算、基于嵌入原子模型经验多体势的分子动力学模拟、以及统计热力学模型的系统集成，从原子尺度上研究氢原子在Pd-Cu-Ag三元合金中的热力学与动力学行为,并系统地预测氢原子在Pd-Cu-Ag三元合金中的渗透系数随合金成分与温度的变化关系。该研究工作的完成可望为钯基氢渗透膜的设计提供理论指导，并显著减少材料开发的人力和物力。

在本次工作中， 我们采用第一性原理方法，结合浓度相关的团簇展开模型(Composition-dependent local cluster expansion(CDLCE))和动态蒙特卡罗模拟(kinetic Monte Carlo simulation)，对氢在fcc铜钯无序合金中的溶解度和扩散率进行了理论计算。首先，我们构造了不同浓度下fcc 铜钯合金64原子的无序超胞，包括 Pd1Cu0、Pd0.75Cu0.25、Pd0.5Cu0.5、Pd0.25Cu0.75和Pd0Cu1，采用第一性原理计算软件(VASP)计算了氢原子在这些超胞中的每个八面体和四面体间隙中的结合能和振动频率，以及氢原子在八面体和相邻四面体之间的过渡态、在过渡态上的结合能和振动频率。 然后，我们提出了的CDLCE模型， 该模型成功地拟合间隙氢原子在Pd1-xCux全局合金浓度范围中(0≤x≤1)的第一性计算结果，这弥补了前人使用的局域团簇展开模型只适用于小范围合金浓度范围的不足。再次，利用CDLCE模型，通过Sivert’s Law与动态蒙特卡罗(KMC)模拟，对铜钯无序合金中氢的溶解度和扩散系数进行了计算，并且在全局合金浓度中给出了系统的预测。我们发现，随着合金中铜浓度的升高，氢的溶解度和扩散系数都有明显的下降。 最后，结合Sivert系数Ks和扩散率，计算了铜钯无序合金中氢的渗透率与合金浓度的关系曲线。计算预测氢的溶解度和渗透率与实验结果符合很好，证明本工作中提出的计算预测方法可以用于对滤氢薄膜合金的性能进行理论预测，这对实际生产中滤氢薄膜合金的设计有着重要的指导意义。