H2在Fe3O4(111)表面的吸附与解离
氢能作为一种可循环再生能源，由于其具有高的燃烧热，燃烧后的产物是水，对环境没有污染，通过电解水等方法可以重新获得氢气从而循环使用，被誉为人类社会未来几十年最具备发展潜力的新型清洁能源，固态储氢材料作为一种新型的储氢方式由于其种类多，安全性好使其被认为未来最具发展潜力的氢气储运方式。近几年来Fe3O4作为作为一种新型固态储氢材料开始引起大家的广泛重视，日本的科学家OtsukaK等通过研究发现四氧化三铁作为一种新型的储氢材料，其储氢机理与传统的固态储氢材料的储氢机理有所不同，其储氢机理是利用一个可逆的氧化还原反应来完成氢气的储存与释放过程。
氢气的储存过程（还原反应）:Fe3O4+4H2→3Fe+4H2O
氢气的释放过程（氧化反应）:3Fe+4H2O→Fe3O4+4H2
由于目前实验条件的限制，人们无法通过实验的方法来研究H2分子和H原子等小分子与四氧化三铁基体表面的相互作用，来进一步了解其反应机理。而且关于H2和H原子在Fe3O4表面吸附的理论研究也比较少。因此，在本文中我们通过基于密度泛函理论的第一性原理方法系统的研究了H原子和H2分子在Fe3O4(111)表面的吸附和解离过程来进一步解释Fe3O4储存H2的反应机理。
通过采用基于第一性原理的计算方法计算了H2在Fe3O4表面的吸附与解离情况，来研究Fe3O4作为一种新型储氢材料进行储氢的反应机理，并通过过渡态搜索的方法计算了其储氢过程的反应条件。通过计算表面6种不同原子终结的Fe3O4(111)表面薄层结构，发现两种可能同时共存的Fe3O4(111)表面结构:Fetet1-终止Fe3O4(111)和Feoct2-终止Fe3O4(111)表面薄层构型，这两种结构的基态能量相差仅为0.03eV。接着我们计算了H原子，H2分子在这两种表面的吸附和解离的情况，通过对比其吸附能的大小发现H原子在Fetet1-终止Fe3O4(111)和Feoct2-终止Fe3O4(111)表面的最稳定吸附位置均为Oc位，H2分子在这两种表面的最稳定吸附构型分别为S1-Fetop和E2-Oc吸附构型。然后我们讨论了在上述两种表面可能发生的解离吸附的解离吸附构型，对比了在这两种表面可能的解离吸附构型的吸附能和其基态能量的大小。最后通过LST/QST过渡态搜索的方法研究了H2分子在上述两种表面最可能发生的解离吸附路径，在Fetet1-终止Fe3O4(111)表面，在一定条件下H2由稳定的S1-Fetop吸附构型通过跨越一个为2.85eV或2.871eV的反应能垒，最终在Oa或Oc位置上发生解离吸附生成水分子，同Otsuka.K提到的Fe3O4作为储氢材料储氢的反应机理基本一致，从而揭示了H2在一定的温度和压强条件下与Fe3O4发生反应生成H2O的储氢反应机理。而在Feoct2-终止Fe3O4(111)表面其最可能的解离吸附路径为:H2分子由E2-Oc吸附构型跨越一个约为0.03eV的能垒到中间态S2-Fetop吸附构型，在Fetop原子上发生解离吸附形成比较稳定的Fetop解离吸附构型。
氢气;Fe3O4固态储氢材料;吸附性能;解离性能;密度泛函理论;氢气储运
西南大学
硕士
材料物理与化学
惠群
2013
中文
TQ116.2;TB34
62
2013-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）