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        H2 在Li摻雜Al7C+上吸附的理論研究

        2014-03-20 08:15:26秦彥軍陳宏善馬占林楊慧慧
        原子與分子物理學(xué)報 2014年3期
        關(guān)鍵詞:棱柱能級電荷

        秦彥軍,陳宏善,馬占林,楊慧慧,李 斐

        (西北師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院,甘肅省原子分子物理與功能材料重點實驗室,蘭州730070)

        1 引 言

        隨著石油,煤炭和天然氣等不可再生的化石能源儲量日益減少,能源危機(jī)對世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),同時化石燃料對環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染,能源與環(huán)境問題已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人類的生存與發(fā)展,如何解決這一問題已經(jīng)成為了全人類共同關(guān)注的話題.氫的儲量豐富、燃燒值高、可再生、無污染,是化石燃料的理想替代品,在未來的能源系統(tǒng)中,氫能是最具應(yīng)用前景的.然而經(jīng)濟(jì)、高效,安全的儲氫材料成為制約氫能利用的主要因素,因此對各種材料儲氫性能的研究具有重要的意義.

        最近研究表明碳納米結(jié)構(gòu)可以儲存分子形式的氫,然而氫在碳納米結(jié)構(gòu)上的吸附比較弱[1].在納米結(jié)構(gòu)中摻雜過渡金屬后可以明顯提高其儲氫能力[2-7],然而過渡金屬原子具有較高的內(nèi)聚能容易聚集,從而達(dá)不到理想的儲存效果[8].選用內(nèi)聚能小的元素,例如堿金屬或堿土金屬可以避免摻雜原子聚集的問題[9-16].

        鋁作為一種廉價的輕質(zhì)材料,鋁團(tuán)簇對H2的吸附也引起了人們的廣泛興趣.Upton[17]研究了Aln(n=2-6)和H2分子的相互作用,Cox[18-19]等人通過實驗得出Aln(n=2-80)與D2分子反應(yīng)時Al6團(tuán)簇的速度常數(shù)是最大的,且只有Al6和Al7有顯著的反應(yīng).Wang[20]等人利用光電子能譜研究了(n=3,5-16)團(tuán)簇陰離子與D2分子的反應(yīng),發(fā)現(xiàn)當(dāng)n=3,6,7和10時,D2分子可能在這些團(tuán)簇上解離.我們發(fā)現(xiàn)氫分子在上為弱的物理吸附,H2在上的吸附能約為0.02eV,但H2容易在團(tuán)簇上發(fā)生解離,解離過程的能壘為0.75eV[21].通過C 摻雜可明顯改變鋁團(tuán)簇的電子結(jié)構(gòu)及各種性質(zhì),趙紀(jì)軍[22]與C.Ashman[23]都指出Al7C-是一種幻數(shù)結(jié)構(gòu),具有相對較高的穩(wěn)定性.Ashman[24]等人在Al7C 中摻雜堿金屬后發(fā)現(xiàn),Al7CX(X=Li-Cs)團(tuán)簇有很低的電子親和勢和高的電離勢.然而,H2分子與堿金屬摻雜的Al7C團(tuán)簇相互作用,之前未有人做過相應(yīng)研究,在本文中,我們利用密度泛函理論研究H2分子在Al7CLi+團(tuán)簇上的吸附.

        2 計算方法

        采用密度泛函理論B3LPY[25],基組采用加入極化函數(shù)的雙ζ6-31G(d,p),我們對Al7C+和Al7CLi+團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全優(yōu)化,對H2在其表面的不同吸附方式進(jìn)行非限制性優(yōu)化,最后對不同結(jié)構(gòu)的態(tài)密度進(jìn)行分析比較.所有的計算是在Gaussian 03程序下完成[26].

        3 結(jié)果與討論

        3.1 Al7C+和Al7CLi+的幾何及電子結(jié)構(gòu)

        Ashman[24]等人利用GGA-PBE 方法給出了Al7C+和Al7CLi+團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu),如圖1 所示.其中Al7C+的結(jié)構(gòu)為六個鋁原子構(gòu)成一個正三棱柱,碳原子幾乎位于三棱柱的中心,另一個鋁原子位于三棱柱的一個側(cè)面.而Al7CLi+團(tuán)簇中Li原子吸附在三棱柱的頂部,Al原子構(gòu)成的三棱柱發(fā)生了扭曲.我們對Al7C+和Al7CLi+團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)重新優(yōu)化.計算表明Al7CLi+的結(jié)合能較Al7C+增大2.54eV,摻雜Li原子使團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定.

        為了比較Al7C+和Al7CLi+的電子結(jié)構(gòu),我們首先分析了兩個體系的態(tài)密度(DOS),如圖2 所示.Al7C+團(tuán)簇共有24 個價電子,是閉殼層結(jié)構(gòu),形成12個空間軌道,能級范圍在-22.31eV ~-9.49eV.對其軌道組成分析可知能量最高的三個軌道(-9.49、-9.76、-9.87eV)主要由Al的3p軌道形成;其下的五個軌道由Al的3s組成;接下來位于-15.25eV、-15.99eV 和-16.35eV 的三個軌道由Al的3s與C 的2p組成;價帶底由C的2s組成,落在-22.31eV 處.

        Al7CLi+共有25價電子,開殼層結(jié)構(gòu)形成25個自旋軌道,圖中-8.83eV~-11.12eV 之間有15 個能級,其中能級最高的-8.83eV、-9.13 eV、和-9.18eV 三個軌道主要由Al的3p形成;其下的軌道主要由Al的3s和C 的2p組成;價帶底部的-21.69eV 和-21.87eV 兩個能級由C的2s形成.對分子軌道組成分析表明Li原子摻雜后,能量較低的能級其軌道組成基本未發(fā)生變化,Li的2s與Al的3s形成較好的重疊,能級落在-9.77 eV和-9.84處.我們還利用自然鍵軌道方法分析了Al7C+及Al7CLi+團(tuán)簇上各原子的電荷分布,在Al7C+中Al原子向C原子轉(zhuǎn)移電子,C原子上的總電荷為2.68個電子.Li原子摻雜后C原子上的總電荷基本保持不變,Li原子失去0.79個電子,由于Li原子轉(zhuǎn)移電子,Al原子轉(zhuǎn)移電子數(shù)目減小,使Al的3p軌道形成的能級被抬高了約0.6eV 左右,使Al7CLi+團(tuán)簇的能隙變小.表1中給出了Al7C+及Al7CLi+團(tuán)簇的能隙和各原子上的電荷分布.

        圖1 Al7C+和Al7CLi+團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu) Fig.1 The stable structures of Al7C+and Al7CLi+

        3.2 H2 在Al7C+團(tuán)簇上的吸附

        由于對稱性,Al7C+團(tuán)簇的不等價位包括5種不等價的Al原子頂位、8種不等價Al-Al橋位和6種不等價的面位.用B3LPY/6-31G(d,p)方法對H2分子以不同的取向吸附在這些不等價位置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行完全優(yōu)化,得到的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)如圖3 所示.表2 給出了H2到吸附位之間的距離以及在Al7C+團(tuán)簇表面的吸附能(吸附體系的能量與孤立團(tuán)簇和H2分子的能量差),從表2可以看出H2分子在Al7C+團(tuán)簇上的吸附為弱的物理吸附,在Al4原子頂位的吸附最強(qiáng),但吸附能僅為-0.017eV.置的吸附都很弱.我們進(jìn)一步優(yōu)化了在Li原子上吸附多個H2分子的結(jié)構(gòu),結(jié)果表明Al7CLi+最多可以吸附4個H2分子,如圖4所示.我們把Al7CLi+團(tuán)簇對H2分子的平均吸附能定義為:

        表1 Al7C+和Al7CLi+團(tuán)簇的能隙和NBO 電荷Table 1 The energy gaps and NBO charges of Al7C+and Al7CLi+cluster

        圖2 Al7C+和Al7CLi+團(tuán)簇的價電子態(tài)密度Fig.2 The density of states of Al7C+and Al7CLi+

        表2 H2 到吸附位之間的距離(?)以及在Al7C+表面的吸附能(eV)Table 2 Distance(in?)between H2and adsorption site and adsorption energy(in eV)of H2adsorbed on Al7C+

        圖3 H2 吸附在Al7C+上的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)ig.3 The stable configurations of H2adsorbed on Al7C+

        3.3 H2 在Al7CLi+團(tuán)簇上的吸附

        我們對H2分子以不同取向吸附在Al7CLi+團(tuán)簇的不等價位上的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完全優(yōu)化,結(jié)果表明H2在Li原子上可以形成較強(qiáng)的吸附,但在其他位

        這里的E(Al7CLi+-nH2)是Al7CLi+團(tuán)簇吸附n個H2分子的總能量,E(Al7CLi+)是Al7CLi+團(tuán)簇的能量,E(H2)是自由H2分子的能量.表3中給出了H2到Li原子的平均距離,Li原子以及H2的NBO 電荷和H2吸附在Al7CLi+團(tuán)簇上的平均吸附能.當(dāng)?shù)谝粋€H2分子吸附到Al7CLi+上時,H2分子到Li原子的距離為2.11?,吸附能為-0.151eV.當(dāng)放置兩個H2分子時,平均的吸附能減小到-0.119eV.而放置三個和四個H2分子時,平均的吸附能減小到-0.103eV 和-0.073 eV.如果放置更多的H2分子,則不能夠得到穩(wěn)定的吸附結(jié)構(gòu).

        圖4 H2 吸附在Al7CLi+上的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)Fig.4 The stable configurations of H2 adsorbed on Al7CLi+

        3.4 Al7CLi+團(tuán)簇吸附H2 分子的電子結(jié)構(gòu)分析

        圖5給出了Al7CLi+團(tuán)簇吸附n(n=1-4)個H2分子的態(tài)密度.與圖2比較可以看出,H2分子吸附在Al7CLi+團(tuán)簇后,團(tuán)簇的態(tài)密度未發(fā)生變化,H2分子的軌道能級位于Al的3s與C的2p形成的能帶之下.吸附1-4個H2分子時形成的能級位于-17.04eV~-15.71eV 之間.由于H2分子吸附在Li原子上,而Li的2s與Al的3s形成的軌道能級位于-9.80eV 附近.分子軌道組成表明H2的軌道并未與Li的軌道發(fā)生重疊.因此,H2的吸附并無軌道相互作用,主要是帶正電的Li離子使H2極化并發(fā)生較強(qiáng)的物理吸附.

        表3 H2 到Li原子的平均距離(?),Li原子及H2 的NBO 電荷(e)和H2 吸附在Al7CLi+上的平均吸附能(eV)Table 3 The distance(in?)between H2and Li atom,the NBO charge(in e)of Li atom and H2,and average adsorption energy(in eV)of H2adsorbed on Al7CLi+

        圖5 Al7CLi+-nH2 的價電子態(tài)密度Fig.5 The density of states of Al7CLi+-nH2

        4 結(jié)論

        利用密度泛函理論研究了H2分子在Al7C+及Al7CLi+團(tuán)簇上的吸附.對于Al7C+團(tuán)簇,H2分子僅發(fā)生很弱的物理吸附,最穩(wěn)定吸附結(jié)構(gòu)的吸附能僅為-0.017eV.Li原子可以穩(wěn)定地結(jié)合在Al7C+團(tuán)簇上,結(jié)合能為-2.54eV.Al7CLi+團(tuán)簇能對H2分子產(chǎn)生較強(qiáng)的吸附,當(dāng)吸附一個H2分子時吸附能可以達(dá)到-0.151eV,在Li原子上最多可以吸附四個H2分子,平均吸附能為-0.073 eV.NBO 分析表明電荷從Li原子轉(zhuǎn)移到Al7C+團(tuán)簇,Li原子上的電荷為+0.79e.態(tài)密度及分子軌道組成分析表明,H2的軌道與Li的軌道并不發(fā)生重疊,因此帶正電的Li離子通過極化H2分子并且增強(qiáng)了H2分子與Al7CLi+團(tuán)簇之間的相互作用.

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