第一性原理预测AlH3的低能结构

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在过去的几十年里,为了解决化石燃料如石油和天然气的大量使用造成的环境问题,人们开始研究新能源及其利用方法。氢是地球上储量最丰富的元素,作为能源有着很大的应用潜力。与石油不同的是,氢能是可再生的,它可以很方便的从其他物质中提取。此外,在氢的应用过程中,副产品是水对环境没有任何的污染。然而这种能源不易存储,给实际应用带来了限制。其中一个可行的方法是把氢储存在储氢材料中。考虑到实际应用,作为储氢材料还要有以下几个要求:要有比较高的储氢重量和储氢体积、在适中的温度和压强下能够释放出氢气以及比较廉价的加注方法。为此美国能源部(DOE)提出到2010年储氢材料要达到储氢重量百分比6.0 wt.%和密度45g/L的目标。其中一个新型储氢材料AlH3有着较高的储氢重量和储氢体积,可以达到美国能源部的目标(即所谓的DOE targets)。  铝的氢化物,化学式AlH3,是一种很有潜力的储氢材料。这种材料储氢量大、体积小、质地轻,含氢量约10wt.%(质量百分比),理论上氢的密度为148g/L,这个密度是液态氢的两倍多。然而这种材料是不稳定的,即使在室温下也能够分解成氢气和铝。实验表明,AlH3至少有七种不同的相。目前已发现的相只有四个,每个相结构内部的H和Al的键合方式也各不相同。在本篇文章里,我们应用密度泛函方法预测了十种AlH3的低能结构,它们的对称群分别是:Pnma,14/mcm,P4/mbm,P6/mmm,P4/nmm,Pm-3m,P21/c,P21/m,P4/n和Pbcm。为了研究这些结构的动力学稳定性,我们还计算了这些结构的声子谱。计算结果表明,Pnma,P4/n和Pbcm是稳定的因为其结构中不存在软模声子。热力学函数计算发现这三种结构的稳定性和已知的α和γ相相近。X射线衍射模拟发现P4/n-AlH3的主峰和实验上发现的δ相十分接近。Rietveld全谱分析表明R-3c,Pnma,和Pbcm都能够很好的符合实验上测得的α相AlH3。
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