一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法。该模拟方法包括以下步骤：(1)计算金属材料的晶格参数及形成能；(2)利用计算模拟或以往实验结果确定氢原子在金属材料中的占据位置；(3)建立不同氢浓度的金属超胞计算模型，获取吸氢能力曲线，即氢浓度与金属‑氢体系生成热的关联曲线；(4)评估金属材料的吸氢能力。重复上述步骤，能有效地筛选出性能优异的储氢材料。通过本发明专利技术的方法可简单快捷地评估金属材料的吸氢能力，具有重要实际应用价值。

A SIMULATION METHOD FOR THE HYDROGEN ABSORPTION REACTION OF TRADITIONAL METAL MATERIALS

The invention discloses a simulation method for hydrogen absorption reaction of traditional metal materials. The simulation method includes the following steps: (1) calculating the lattice parameters and formation energies of metal materials; (2) determining the occupancy of hydrogen atoms in metal materials by using computational simulation or previous experimental results; (3) establishing metal supercell calculation models with different hydrogen concentration to obtain the hydrogen absorption capacity curve, i.e., the correlation curve between hydrogen concentration and the heat of formation of metal-hydrogen system; (4) evaluating the absorption of metal materials. Hydrogen capacity. Repeated steps can effectively screen hydrogen storage materials with excellent performance. The method of the invention can evaluate the hydrogen absorption capacity of metal materials simply and quickly, and has important practical application value.

【技术实现步骤摘要】
一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法
本专利技术涉及一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法，特别涉及一种金属材料储氢性能评估及其筛选方法，属于储氢材料

技术介绍
随着环境污染的日益严重和能源危机的不断加剧，开发和利用清洁的可再生的新能源受到世界各国的广泛关注。目前天然气和煤炭等化石燃料是主要能源，但它们的大量使用打破了生物圈中碳循环的平衡。为了减轻环境污染，促进社全可持续发展，大力发展与氢有关的核能和氢能成为缓解世界能源危机的两种重要途径。核能被称为人类最具希望的未来能源之一。人们可通过重元素的裂变以及轻元素的聚变开发核能。其中与氢有关的核聚变由于反应产生物质简单，释放能量巨大而更为突出。核聚变反应是在高温条件下，两个拥有极高热速度的轻核相互碰撞后，生成一个较重的原子核，同时释放巨大的能量。反应燃料是从海水中提炼的氢的同位素氘，在海洋中具有相当巨大的储藏量。按照每升海水中的氘用于发生聚变反应释放的能量相当于300升汽油燃烧的热量估计，海水里氘聚变产生的核能足够人类使用上百亿年。另一方面，氢能也作为一种理想的能源也在不断地被开发。它具有使用能效高，废弃物产生少，资源丰富，燃烧热值高等众多优点。发展氢能不仅是提高能效，降低石油消费，保证能源安全，改善生态环境的重要手段，而且它多样的存在形式能适应各种环境的贮运，势必保证它在未来的新能源发展中占据重要的地位。以上两种能源的应用不可避免地涉及到吸氢反应。核反应的环境中存在着腐蚀氢、溶解氢、辐射氢和加入氢，这些氢进入包壳层材料会发现相变和氢脆现象。另外，储氢材料为可逆地吸收和释放氢气的材料。随着吸氢和放氢过程的进行，材料的微观组织受到很大的影响，如晶格膨胀和力学性能的改变(剪切模量和杨氏模量等)。因此，选择具有较强吸氢能力的材料是保证氢的存储和运输安全便捷的必要条件。长期以来，实验一直致力于探索材料结构、组织、性能的内在关联。这种研究方法耗时长且成本高。随着近代的物理理论和计算机技术的深入发展，计算材料学技术得到了飞速发展，使得计算机模拟成为新材料研制的重要手段。计算机模拟的过程仅在计算机上即可完成，且不受实验条件、时间和空间的限制，具有极强的灵活性和随机性。计算机模拟既可以辅助实验探讨问题的本质，还可以预测实验的结果，甚至能够模拟实验无法达到的极限条件下材料的物理化学性质。因此，设计一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法有助于更简捷方便地筛选出性能优异的储氢材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法，通过该方法可以简单快捷地筛选出性能优异的储氢材料，以降低实验操作的复杂性以及研究工作的投入成本，从而加速新材料的研究与开发。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法，包括以下步骤：(1)计算金属材料的晶格参数及形成能。利用计算材料学方法计算金属材料晶格参数及形成能，探索材料的基态。金属材料的晶体结构为实验中可能存在的各种相。(2)利用计算模拟或以往实验结果确定氢原子在金属材料中的占据位置。通过放置氢原子于不同结构原胞的不同间隙位置进行结构弛豫优化，能确定氢在金属材料中的可能占据位置，或根据以往实验结果直接确定氢在金属中的占据位置。(3)建立不同氢浓度的金属超胞计算模型，获取吸氢能力曲线，即氢浓度与金属-氢体系生成热的关联曲线。首先，通过扩展原胞和改变氢原子数目等方式建立其它氢浓度的计算原胞，然后利用计算材料学方法计算体系总能，并代入公式计算体系生成热，即可绘制出氢浓度与金属-氢体系生成热的关联曲线。(4)评估金属材料吸氢能力。对氢浓度与金属-氢体系生成热的关联曲线进行线性拟合，斜率为金属材料的吸氢能力。重复上述步骤，能有效地筛选出性能优异的储氢材料。优选地，所述步骤(1)中计算金属材料的晶格参数精度应达到形成能精度应达到0.01eV。优选地，所述步骤(3)中获取吸氢能力曲线，至少包括4个数据点。本专利技术的优点：本专利技术提供了一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法，利用该方法可简单快捷地评估金属材料的吸氢能力，能够合理有效地筛选出性能优异的储氢材料，具有重要实际应用价值，对新能源应用的推动起了积极作用。本专利技术的模拟方法借助于计算材料科学技术，大幅度地减少了传统实验方法人力物力的支出，提高了研发效率。该方法不仅适用纯金属，也适用与其它金属间化合物。附图说明图1为实施例1中金属Hf三种原胞的结构示意图。其中，1-1为体心立方结构(BCC)原胞，1-2为面心立方结构(FCC)原胞，1-3为密排六方结构(HCP)原胞。图2为实施例1中氢浓度与不同的金属-氢体系生成热的关联曲线。具体实施方式下面通过附图和实施例对本专利技术作详细说明，但并不意味着对本专利技术保护范围的限制。本专利技术实施步骤如下：首先，计算金属材料的晶格参数及形成能，接着利用计算模拟或以往实验结果确定氢原子在金属材料中的占据位置，然后建立不同氢浓度的金属超胞计算模型，获取吸氢能力曲线，即氢浓度与金属-氢体系生成热的关联曲线，接着评估金属材料吸氢能力并筛选出性能优异的储氢材料。实施例1以金属Hf为例，其吸氢反应的模拟方法，包括如下步骤：1、计算金属材料的晶格参数及形成能。利用量子力学第一原理计算方法，我们计算了金属Hf三种不同结构的晶格参数和形成能。结构示意图见图1，分别是体心立方结构(BCC)、面心立方结构(FCC)，密排六方结构(HCP)。模拟计算结果表明HCP的晶格常数FCC的晶格常数BCC的晶格常数模拟结果与实验结果基本一致，证实了模型和方法的准确性。另外，形成能的计算结果显示HCP结构形成能最低，为基态。BCC和FCC结构的形成能分别比HCP结构的高0.18eV/atom和0.07eV/atom。2、利用计算模拟或以往实验结果确定氢原子在金属材料中的占据位置。依据以往的计算模拟和实验，氢在HCP、FCC和BCC结构的金属Hf中主要占据不同的四面体(T)和八面体间隙位置(O)。通过量子力学第一原理计算方法对模型进行结构弛豫，我们可以发现氢原子始终保持在以上两个间隙位置。3、建立不同氢浓度的金属超胞计算模型，获取吸氢能力曲线，即氢浓度与金属-氢体系生成热的关联曲线。为了产生不同氢浓度的金属Hf超胞，针对HCP、FCC和BCC结构，我们通过扩展原胞和改变氢原子数目等方法，分别建立了Hf32H、Hf16H、Hf8H、Hf4H、Hf2H和Hf2H2原胞。氢原子的浓度范围近似为0＜H/Hf≤1。金属-氢体系生成热计算公式如下：在上述公式中，EHf和分别是金属-氢体系HfnH、基态HCP结构的单个Hf原子以及氢分子的自由能。通过金属-氢体系生成热计算公式，我们绘制了氢浓度与金属-氢体系生成热的关联曲线。如图2所示，在模拟过程中，我们分别考虑了氢处于HCP、FCC和BCC结构不同的T和O间隙位置的多种体系。对于每条曲线，随着氢浓度的增加，体系生产热逐渐降低。4、评估金属材料吸氢能力。针对图2中的每条曲线，我们进行一次线性拟合，获得了不同的斜率。对于BCC(T)、BCC(O)、FCC(T)、FCC(O)、HCP(T)和HCP(O)体系，拟合的斜率分别为-37kJ/molH、-29kJ/molH、-37kJ/molH，-30kJ/molH、-20kJ/molH和-19本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用计算材料学方法计算金属材料的晶格参数及形成能；(2)利用计算模拟或以往实验结果确定氢原子在金属材料中的占据位置；(3)建立不同氢浓度的金属超胞计算模型，获取吸氢能力曲线，即氢浓度与金属‑氢体系生成热的关联曲线；(4)评估金属材料的吸氢能力。

【技术特征摘要】
1.一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用计算材料学方法计算金属材料的晶格参数及形成能；(2)利用计算模拟或以往实验结果确定氢原子在金属材料中的占据位置；(3)建立不同氢浓度的金属超胞计算模型，获取吸氢能力曲线，即氢浓度与金属-氢体系生...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖伟，王建伟，程磊，
申请(专利权)人：北京有色金属研究总院，
类型：发明
国别省市：北京,11