V/Pd界面氢吸附扩散行为的第一性原理研究*张江林1)2)王仲民2)王殿辉1)胡朝浩1)王凤1)甘伟江2)林振琨2)3)†1)(桂林电子科技大学材料科学与工程学院,桂林541004)2)(广西科学院高性能材料研究所,南宁530007)3)(南宁职业技术学院,南宁530008)(2023年2月1日收到;2023年5月12日收到修改稿)采用钒/钯(V/Pd)金属复合膜渗氢是从混合气体中分离氢气的一种有效实用方法.为深入地了解催化Pd层与金属膜结合处的界面结构与吸氢/渗氢特性的关联性,进而提升合金膜提纯氢气的能力,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了V/Pd金属复合膜界面的氢吸附/扩散行为.研究结果表明:由于V/Pd界面的电荷密度随着V/Pd成键而增加,导致氢原子(H)溶解能随着接近界面而增大,在V/Pd界面附近具有最高的溶解能(0.567eV).氢迁移能垒计算表明,与H沿V/Pd界面水平扩散的最大能垒(0.64eV)相比,H垂直V/Pd界面能垒(0.56eV)更小,因而H倾向于垂直V/Pd界面进行迁移,并由Pd层扩散到V基体一侧,因V/Pd界面处Pd层的氢溶解能(0.238eV)高于V膜侧(–0.165eV),H将在界面的V膜侧积累,易引起氢脆.V基体掺杂Pd/Fe的计算表明,与未掺杂的能垒(0.56eV)相比,掺杂Pd/Fe可明显地降低界面扩散路径中的最大能垒(0.45eV/0.54eV),利于氢的渗透扩散,且掺杂界面能一定程度抑制V和催化Pd层的相互扩散,提高复合膜的结构稳定性.关键词：V/Pd界面,第一性原理,氢渗透性能,拉伸应变PACS：88.30.R–,31.15.A–,61.50.Ah,82.65.+rDOI:10.7498/aps.72.202301321引言氢能是人类战略能源的发展方向,氢气的分离提纯技术是氢能产业规模化应用的关键环节之一[1].钯及其合金(如Pd-Ag合金)具有较好的氢渗透和抗氢脆的综合性能,是目前唯一实现工业应用的合金膜材料.但由于钯源稀有以及成本高等原因限制了其规模化应用.因此,非钯或少钯的新型氢渗透合金成为研究的热点.其中第5族(V,Nb,Ta)金属的研究尤引人关注[2−4].具有体心立方结构(bodycenteredcubic,BCC)的第5族金属具有优良的氢扩散性能[5,6],氢扩散速率比面心立方相(facecenteredcubic,FCC)的Pd以及其他金属晶体高出1个数量级以上,其中V金属的氢扩散系数最高(>3.0×10–7mol·m–1·s–1·Pa–0.5,T≥320℃)[7].然而,V直接用作膜材料仍存在一些问题,如V表面的氧化[8]以及在低温下的氢脆效应[9].在V膜材料上覆盖一层Pd或Pd合金,是解决这些问题的有效方法,氢气在镀Pd的V,Nb和Ta膜中可以获得更高的通量,并且不容易受到氢脆影响[10].Ali-mov等[11]发现,氢气通过100mm厚的Pd-V-Pd复合...
