[發明專利]一種傳統金屬材料吸氫反應的模擬方法

在審

• 申請號: 201710913100.7
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN109584970A
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 肖偉;王建偉;程磊
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: G16C20/10
• 分類號: G16C20/10
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 劉秀青;熊國裕

本發明公開了一種傳統金屬材料吸氫反應的模擬方法。該模擬方法包括以下步驟：(1)計算金屬材料的晶格參數及形成能；(2)利用計算模擬或以往實驗結果確定氫原子在金屬材料中的占據位置；(3)建立不同氫濃度的金屬超胞計算模型，獲取吸氫能力曲線，即氫濃度與金屬?氫體系生成熱的關聯曲線；(4)評估金屬材料的吸氫能力。重復上述步驟，能有效地篩選出性能優異的儲氫材料。通過本發明的方法可簡單快捷地評估金屬材料的吸氫能力，具有重要實際應用價值。

技術領域

本發明涉及一種傳統金屬材料吸氫反應的模擬方法，特別涉及一種金屬材料儲氫性能評估及其篩選方法，屬于儲氫材料技術領域。

背景技術

隨著環境污染的日益嚴重和能源危機的不斷加劇，開發和利用清潔的可再生的新能源受到世界各國的廣泛關注。目前天然氣和煤炭等化石燃料是主要能源，但它們的大量使用打破了生物圈中碳循環的平衡。為了減輕環境污染，促進社全可持續發展，大力發展與氫有關的核能和氫能成為緩解世界能源危機的兩種重要途徑。

核能被稱為人類最具希望的未來能源之一。人們可通過重元素的裂變以及輕元素的聚變開發核能。其中與氫有關的核聚變由于反應產生物質簡單，釋放能量巨大而更為突出。核聚變反應是在高溫條件下，兩個擁有極高熱速度的輕核相互碰撞后，生成一個較重的原子核，同時釋放巨大的能量。反應燃料是從海水中提煉的氫的同位素氘，在海洋中具有相當巨大的儲藏量。按照每升海水中的氘用于發生聚變反應釋放的能量相當于300升汽油燃燒的熱量估計，海水里氘聚變產生的核能足夠人類使用上百億年。另一方面，氫能也作為一種理想的能源也在不斷地被開發。它具有使用能效高，廢棄物產生少，資源豐富，燃燒熱值高等眾多優點。發展氫能不僅是提高能效，降低石油消費，保證能源安全，改善生態環境的重要手段，而且它多樣的存在形式能適應各種環境的貯運，勢必保證它在未來的新能源發展中占據重要的地位。

以上兩種能源的應用不可避免地涉及到吸氫反應。核反應的環境中存在著腐蝕氫、溶解氫、輻射氫和加入氫，這些氫進入包殼層材料會發現相變和氫脆現象。另外，儲氫材料為可逆地吸收和釋放氫氣的材料。隨著吸氫和放氫過程的進行，材料的微觀組織受到很大的影響，如晶格膨脹和力學性能的改變(剪切模量和楊氏模量等)。因此，選擇具有較強吸氫能力的材料是保證氫的存儲和運輸安全便捷的必要條件。

長期以來，實驗一直致力于探索材料結構、組織、性能的內在關聯。這種研究方法耗時長且成本高。隨著近代的物理理論和計算機技術的深入發展，計算材料學技術得到了飛速發展，使得計算機模擬成為新材料研制的重要手段。計算機模擬的過程僅在計算機上即可完成，且不受實驗條件、時間和空間的限制，具有極強的靈活性和隨機性。計算機模擬既可以輔助實驗探討問題的本質，還可以預測實驗的結果，甚至能夠模擬實驗無法達到的極限條件下材料的物理化學性質。

因此，設計一種傳統金屬材料吸氫反應的模擬方法有助于更簡捷方便地篩選出性能優異的儲氫材料。

發明內容

本發明的目的在于提供一種傳統金屬材料吸氫反應的模擬方法，通過該方法可以簡單快捷地篩選出性能優異的儲氫材料，以降低實驗操作的復雜性以及研究工作的投入成本，從而加速新材料的研究與開發。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種傳統金屬材料吸氫反應的模擬方法，包括以下步驟：

(1)計算金屬材料的晶格參數及形成能。利用計算材料學方法計算金屬材料晶格參數及形成能，探索材料的基態。金屬材料的晶體結構為實驗中可能存在的各種相。

(2)利用計算模擬或以往實驗結果確定氫原子在金屬材料中的占據位置。通過放置氫原子于不同結構原胞的不同間隙位置進行結構弛豫優化，能確定氫在金屬材料中的可能占據位置，或根據以往實驗結果直接確定氫在金屬中的占據位置。