富氢Pt-H化合物高压下的理论与实验研究

The study of metal polyhydrides is a significant way to investigate metallic hydrogen, which is quite important in the basic science field. The theoretical and experimental studies have indicated that new novel metal polyhydrides can be stable under high pressure, and are also potential hydrogen storage and superconducting material. Therefore, the exploration of synthesis and properties about metal polyhydrides is one of the fore fronts and hot areas of energy, material and high pressure science，which is necessary to be solved in depth. In this prospect, the project combines theoretical and experimental methods to study Pt-H system, and aims to extensively explore the crystal structures and properties of PtHx (x=1, 2, 3…) in the range of pressure from 0 to 200 GPa. By using the particle swarm optimization algorithm for crystal structure prediction, first-principles calculations, synchrotron X-ray diffraction and electrical measurement based on diamond anvil cell, the project intends to systematically investigate the experimental synthesis condition (temperature and pressure), the stoichiometries, the stable crystal structures and the superconductivity of Pt-H system, and build its high pressure phase diagram. We hope our studies will provide more referential experience and support the further research of polyhydride and hydrogen under high pressure.

金属富氢化物是研究金属氢的一个重要途径，具有重要的基础科学研究意义。理论和实验研究表明奇特的新型金属富氢化物在高压下可以稳定存在，是潜在的储氢材料和高温超导材料。因此，富氢化物的合成与物性探索是能源、材料和高压科学研究领域的前沿热点研究方向，亟待系统而深入的研究。本项目拟以典型的Pt-H体系为研究对象，结合理论和实验方法，探索0-200万大气压区间内PtHx（x=1,2,3…）化合物的晶体结构与物性。采用基于粒子群优化算法的晶体结构预测和第一性原理计算方法，结合基于金刚石对顶砧装置的高压同步辐射XRD和电学诊断技术，系统地探索Pt-H体系的实验合成条件（温度和压力）、高压下的化学计量配比、稳定的晶体结构以及超导性质，构筑高压相图，为氢化物以及氢的高压研究提供一定的借鉴及支持。

高压下金属氢的制备作为基础研究的重要方向，迄今没有取得公认的成功，仍面临着长期的科学挑战。氢中掺入其他金属元素，形成的富氢化物可以在较低的压力下实现金属化，并可能具有与金属氢类似的优异性质。理论和实验研究表明新奇的金属富氢化物在高压下可以稳定存在，是潜在的储氢材料和高温超导材料。因此，富氢化物的合成与物性探索是能源、材料和高压科学研究领域的热点研究方向，亟待系统而深入的研究。.本项目以典型的氢化合物Pt-H体系为主要研究对象，结合理论和实验方法，系统地探索了这类氢化物的化学剂量配比、晶体结构和相关物性。（1）我们成功地合成了PtH，并通过角散X射线衍射方法确定了其压缩行为。研究发现高压下六角密堆（hcp）结构PtH的实验晶格参数和“SiH4实验”中观察到的hcp相高度一致。该研究首次提供了直接的实验结果，澄清了“SiH4实验中”高压结构的争议。研究还发现未报道的Pt2H3和PtH2在低压下可以稳定存在，可能解释Pt-H体系中始终无法确定的低压相。（2）我们对高压下Nb-H体系的化学组分和结构进行广泛地探索。我们预言在高压下新的NbH2.5和NbH3稳定，并成功地合成了面心立方的NbH2~2.5和六角密堆的NbH2.5，观察到预言的立方NbH3。（3）通过结构预测方法，我们系统地研究了TaH1-6的结构稳定性，并发现“TaH12”多面体构成的新型TaH5化合物在高压下能够稳定存在，并具有18-23K的超导转变温度。我们还报道了高压下新的ThH3和Th2H7相。.此外，我们还开展了高压下其他重要材料在的研究，并获得诸多进展。项目执行期间，共发表标注项目号的SCI论文12篇，设计并制备了一系列新型氢化物，为氢化物的深入理解奠定了基础，并为潜在的未来应用提供了支持与借鉴。