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Li_3N团簇储氢反应机理的理论研究

作　者: 张致龙
导　师: 陈玉红
学　校: 兰州理工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 团簇密度泛函理论过渡态结构与性质
分类号: TG139.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着石油资源的日渐匮乏和生态环境的不断恶化,寻找和发展新型能源为全世界所瞩目。人们对新能源的不断探索过程中,氢能被公认为人类未来的理想能源,但氢能的储存限制了其利用。理论储氢量较大的碱金属氮化物成为储氢研究的重点,但碱金属氮化物在反应中有固—固反应,使得反应条件高,反应速率慢,反应难以充分进行。如果碱金属氮化物反应在团簇级别进行,可以降低反应条件,提高反应速度,反应更为充分。但目前在团簇级别研究碱金属氮化物的反应机理很有限。本文采用密度泛函理论（B3LYP）方法,在6-311G*基组水平上对Li₃N与H2以及团簇（Li₃N）₂与H₂反应的微观机理进行了计算分析。第一章介绍了发展氢能源的优点和主要的储备材料的研究现状,包括碳质材料、金属-有机物框架材料、金属合金材料、碱金属氮化物材料,重点介绍了Li-N-H系金属络合物储氢材料,以及碱金属氮化物团簇储氢的优点。第二章概述了量子化学的发展过程以及应用量子化学对团簇的研究方法,介绍了过渡态理论和内禀坐标理论。第三章研究了Li₃N团簇与H₂反应的微观机理,反应式为Li₃N+2H₂-Li₂NH +LiH + H₂-LiNH₂ + 2LiH,反应分两步进行,第一步为Li₃N团簇与H₂反应,第二步为Li₂NH团簇与H₂反应,优化了各步的反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型,同时通过振动分析,结果证实了中间体和过渡态的正确性,内禀反应坐标（IRC）计算结果进一步确认了反应路径。确认了此反应为单通道放热反应。计算得到第一步反应的活化能为117.3 kJ/mol,第二步反应的活化能小于第一步仅为5.5136 kJ/mol。第四章研究了（Li₃N）₂团簇与H₂反应的微观机理,反应分两步进行,第一步为（Li₃N）₂与H₂反应,第二步为（Li₂NH）₂团簇与H₂反应,优化了反应物、中间体、过渡态和产物的几何构型,同时通过振动分析,结果证实了中间体和过渡态的正确性,内禀反应坐标（IRC）计算结果进一步确认了反应路径。确认了此反应为单通道放热反应。计算得到第一步反应的活化能为77.78 kJ/mol,第二步反应的活化能小于第一步反应为17.07 kJ/mol。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-9
第一章绪论  9-15
  1.1 储氢材料研究现状  10-12
    1.1.1 碳质储氢  10
    1.1.2 金属-有机物框架储氢  10
    1.1.3 金属合金储氢  10-11
    1.1.4 碱金属氮化物材料的研究现状  11-12
  1.2 Li-N-H 系金属络合物储氢材料研究现状  12-15
    1.2.1 Li-N-H 系储氢材料的实验研究  12-13
    1.2.2 Li-N-H 系储氢材料的理论研究  13-15
第二章量子化学理论与计算方法  15-22
  2.1 量子化学的发展  15
  2.2 团簇研究的理论方法  15-17
    2.2.1 团簇势能面的搜索方法  16
    2.2.2 团簇总能量的计算方法  16-17
  2.3 过渡态理论  17-19
    2.3.1 统计热力学方法计算速率常数  18
    2.3.2 热力学方法计算速率常数  18-19
  2.4 内禀反应坐标理论  19-22
第三章氮化锂和氢气反应机理的理论研究  22-33
  3.1 Li_3N 与 H_2 反应的微观机理研究  22-28
  3.2 Li_2NH 与H_2 反应的微观机理研究  28-32
  3.3 本章小结  32-33
第四章氮化锂(Li_3N)_2和氢气反应机理的理论研究  33-44
  4.1 (Li_3N)_2 与 H_2 反应的微观机理研究  33-38
  4.2 (Li_2NH)_2 与H_2 反应的微观机理研究  38-43
  4.3 本章小结  43-44
总结与展望  44-45
  1 本文总结  44
  2 研究展望  44-45
参考文献  45-49
致谢  49-50
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  50

Li_3N团簇储氢反应机理的理论研究

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