界面模型改良以及金属添加物界面对Mg-H体系热力学稳定性影响的研究

The great role of the interface of Mg and MgH2 with various additions, including transition metals and light rare earth elements, on the hydrogenation/ dehydrogenation of Mg-H systems, was observed in earlier experiments. Meanwhile, the theoretical studies in literature often treat the interface with oversimplified models, lacking necessary support to the experimental counterpart. Here, we attempt to establish proper procedures to set up models of Mg-H related interfaces, taking into account of matches of the lattice shapes and sizes, relative position of the corresponding surfaces, as well as the possible mixing effect and temperature effect within the framework of first-principles calculations. With helps from experimental work, we will investigate the structural and electronic properties of interfaces of Ti, Pd, Ni, Al, La, and Ce etc, with Mg and MgH2. We plan to distill some practical rules from the first-principles simulations and experiments, aiming to design interfaces of Mg with transition metals or rare-earth metals with effective destabilization of MgH2 to overcome the bottleneck of its application in hydrogen storage. It is expected that the establishment of proper procedures to modeling the Mg-H related interfaces will benefit other interface simulations.

大量实验发现不同金属添加物(主要是过渡金属和轻质稀土金属)与Mg、MgH2之间的界面能有效降低MgH2的热力学稳定性，促进其吸放氢性能。而已有的理论研究对界面结构往往采用非常简化的模型，对相关的实验指导有限。本项目拟以第一性原理计算出发，统一考虑界面晶格形状和大小的匹配、表面原子的相对位置等因素，以及界面中可能的互溶效应和部分温度效应，构建一个Mg-H体系与金属添加物之间较为合理的界面模型的流程。并结合相关实验，以Ti、Pd、Ni、Al、La、Ce等与Mg、MgH2界面为例，研究相关界面的结构和电子性质。通过添加物与Mg的界面应变，互溶性等特性的分析，总结规律，寻求对MgH2体系具有良好去稳定性的界面结构，以克服作为储氢材料的MgH2由于体结构过于稳定而导致的放氢温度过高而带来的瓶颈。同时，期望通过对Mg-H体系相关界面构建的合理流程的讨论，对其它体系界面的模拟起到很好的参考作用。

我们通过研究Mg与多种过渡金属等多种界面结构，考量了界面处晶格形状和大小的匹配，以及两相的相对位置等因素，逐步规范了构建常见界面的合理步骤。相关结构构建程序已经通过研究组网页发布。进一步在Mg与多种过渡金属的界面构建中，讨论了界面处的两相原子的互溶，并研究了优化后的Ti、Pd、Ni、Nb等与Mg的界面的电子性质以及对Mg-H体系放氢过程的影响。同时，我们把界面构建模型应用到多种界面，并与实验合作，揭示了一些界面处一些实验现象的内在原因。如1) 在Mg/Al2MgC2 和 Mg/Al4C3 界面处Ca的吸附对alpha-Mg成核机制的深入理解；2). 解释了 Fe3GeTe2/graphite/Fe3GeTe2界面处实验观察到的反对称磁阻现象。这些应用表明，我们的界面构建模型具有一定的通用性，为界面构建提供了较为合理的方案。