氢吸附Laves 相TiCr基合金的相结构和性能的第一性原理研究

TiCr based alloy is a very important research issue of hydrogen storage eletrode alloys.This is of little practical significance because the saturated absorbing hydrogen pressure of TiCr based hydrogen storage alloy exceeds 200 MPa. So far, alloy modification methods have been used to improve the hydrogen storage properties of TiCr based alloy, to change the phase structure and the crystal lattice constant to increase their hydrogen storage properties. After the activated alloy absorbing hydrogen, alloy phase composition will generally occurs hydrogen-induced phase transition and new hydride phase will be formed. Research on changes in the structure of the alloy phase with the changes in the hydrogen absorption capacity, and the reason for which is a very important branch in hydrogen storage alloy. The project aims to systematically compute the changes in the potential energy surface, electron cloud distribution around atoms area as well as the ionic radius and other parameters in the supercell distortion process to understand the impact of the hydrogen-absorbing to alloy phase structure. The enthalpy of hydride crystal phase will be computed, according to the relative size of the difference between the enthalpy to explain the influence of the alloying elements on hydrogen storage properties of TiCr-based alloy. The research is bound to provide some theoretical basis for thorough study of the TiCr based hydrogen storage alloy.

TiCr基储氢合金是目前高容量储氢电极合金的一个重要研究方向。但TiCr基储氢合金的饱和吸氢压力超过200MPa，在实际应用中是没有意义的。改善TiCr基合金储氢性能多采用合金改性方法，到目前为止，对储氢合金的研究主要集中在采用不同元素对合金进行改性，改变相结构以及晶体点阵常数提高其储氢性能。但合金活化吸氢后，合金的相组成一般会发生氢致相变，形成新的氢化物相。研究随着吸氢量的变化，合金相结构的变化及其变化的原因，是储氢合金研究的一个重要方向。本项目拟采用第一性原理系统地模拟计算具有Laves相TiCr基合金吸氢后在超晶胞畸变过程中势能面的变化、原子周围区域电子云分布以及离子半径等参数的变化，理解吸氢对合金相结构的影响。计算各种可能氢化物晶相的热焓，根据热焓之差的相对大小来解释合金化元素对TiCr基合金储氢性能的影响。本项目研究工作的开展必将为TiCr基储氢合金的深入研究提供一定的理论依据。

TiCr 基储氢合金具有储氢量较大、循环寿命长、价格低廉的优点，是目前高容量储氢电极合金的一个重要研究方向。但 TiCr 基储氢合金的饱和吸氢压力超过 200MPa，在实际应用中是没有意义的。目前发展高效储氢合金主要是通过添加合金化元素的方式来实现。本项目以探索储氢合金吸氢后相结构的转变为目标，采用第一性原理方法研究 Laves 相 TiCr 基合金随着氢吸附浓度、吸附位置的变化，合金结构的演变。(1) 通过对不同组分混合的具有 Laves 相结构的 TiCr 基合金的晶体结构的数值模拟，得到了不同组分混合的具有 Laves 相结构的 TiCr 基合金的稳定晶体结构，以及相关晶体的结构参数、成键特征、结合能、态密度、电荷分布、热焓等参量，得到的相关数据与实验数据相吻合。(2) 通过优化具有 Laves 相结构的 TiCr 基合金吸氢后形成的各种可能氢化物相的晶体结构，得到稳定的氢化物的晶体结构参数，同时发现加氢后合金的体积增加，而结合能保持不变。并且研究了具有 Laves 相 TiCr 基合金中单个氢原子的最佳吸附位置，以及 Ti2CrH3.5，TiCrFeH3.5 氢化物的相结构。(3) 在得到的稳定氢化物的基础上，进一步计算氢化物的低温相结构，通过对能带结构、态密度 DOS、局域 DOS、价电荷密度图等的分析揭示了氢化物的电子结构和稳定性等情况。发现具有立方相的 TiCrH2 是不稳定的，但 Ti 与氢原子之间有很强的相互作用。(4) 计算了稳定氢化物的热焓和势能，研究结果发现金属与氢相互作用的变化趋势与各二元氢化物形成焓的变化趋势相符。并且，如果在合金化 TiH2 附近有 Ti 原子的话，氢原子与弱氢化物元素和非氢化物元素形成较强的共价键，而不与强氢化物元素成键。总之，本项目通过近一年的研究，课题组对 Laves 相 TiCr 基合金吸氢后生成新相的结构参数，氢的最佳吸附位置、以及吸氢后对 TiCr 基合金相结构和相关性质的影响都有了较为深入和全面的理解，同时经过详尽的理论计算我们还得到了一些别人没有发现的具有创新性的理论研究成果，较好地完成了项目的预期目标。目前，在该项目的支持下课题组已经完成论文13篇，其中，已有9篇论文正式出版发表，4篇论文正在投稿审理当中，出版24万字专著1本，1项实用新型专利已授权，1项发明专利已受理。.