基于密度泛函理论计算的TiFe-Cu合金储氢性能研究
蒋诗洁
杜学森
於琳翰
胡陈龙
陈艳容
重庆大学能源与动力工程学院,重庆 400044;重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044
摘要：氢能作为一种热值高、燃烧产物清洁且无碳排放的二次能源,对于推动实现"双碳"目标具有重要意义.TiFe合金储氢容量高、成本低廉且吸放氢条件温和,可以有效解决氢能储运技术成本高、安全性差的问题.然而,TiFe合金显著的氧敏感性,使其极易受到氧气毒害,在合金表面形成致密的钝化层.已有大量研究表明,通过Cu和其他元素共同掺杂,可以有效改善TiFe合金的活化性能,但Cu对TiFe合金储氢性能的影响机制尚不明确.本研究基于密度泛函理论(DFT)计算,采用Cu取代Fe的策略,系统探究了 Cu对TiFe合金表面氧化层形成的影响机制及储氢过程的调控机理.结果表明,Ti原子具有极强的氧亲和力,在氧化过程中首先与O结合形成致密性较强的钛氧化物.Cu掺杂后,合金表面的氧化物连续性显著降低,钛氧化物含量相应减少.从头算分子动力学(AIMD)计算发现,Cu显著降低Ti原子的运动速度,在150 fs时,Ti原子沿z轴正向的运动速度从0.368 Å/ps降至0.182 Å/ps.同时,Cu周围的Fe原子运动速度明显加快,提高了生成致密性更低的铁氧化物的可能性.这表明Cu不仅可以有效延缓氧化层的生长,还能降低氧化层的致密性.此外,从微观层面探究了 Cu对于氢在合金表面吸附与体相扩散行为的影响,发现Cu不仅使得H2在体系表面的吸附能从-2.93 eV降至-3.13 eV,还进一步减小了其解离能垒.同时,Cu优化了 H原子在表面的扩散通道,使其扩散能垒最高下降了 64％,进而促进了 TiFe合金的吸氢过程.最后,通过真空熔炼法制备了 TiFe和TiFe0.9Cu0.1合金,并进行活化性能测试和等温储氢测试,以验证理论计算的正确性.结果表明,Cu使得TiFe合金完全活化所需的次数从5次减少至3次,显著提升了合金的活化特性.同时合金的最大储氢量和吸氢动力学均未下降,与理论计算结果一致.
关键词：氢能储氢TiFe合金DFT计算从头算分子动力学(AIMD)Cu掺杂
分类号：X505(一般性问题)
资助基金：国家自然科学基金(52176100)
论文发表日期：2025-10-30
在线出版日期：2025-10-20（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：10( 143-152 )
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