基于第一性原理密度泛函理论计算的钛铝氮物氢渗透阻隔设计
材料科学
2024-10-03 v1
摘要
本研究利用ab initio密度泛函理论(DFT)对钛铝氮物(TiAlN)的氢渗透进行了研究，涉及立方和六方晶体结构。尽管氢阻隔材料的重要性已为人所知，但TiAlN的潜力尚未得到充分探索。我们分析了位点特异性、温度依赖的插入以及原子氢迁移路径能量。我们的研究表明，晶体结构对设计抗氢吸附材料具有决定性作用，而化学组成则次之。在氢被吸附后，氢的扩散受局部化学环境的支配。具体而言，穿过Al-N平面的氢迁移能量高于穿过Ti-N平面，这会影响整体扩散过程。我们发现氢吸附高度内吸热，插入能量范围为50至320 kJ/mol氢原子，表明在常温条件下吸附概率很低。更高的温度进一步增加所需能量，使吸附更不利。我们还在六方结构中识别出 substantial的氢迁移能垒，最高可达276 kJ/mol，表明迁移概率极低。这些发现凸显了TiAlN对氢渗透的异常抵抗力，使其成为氢储存和核反应堆等高压应用的理想候选材料。
引用
@article{arxiv.2410.01301,
title = {Designing Hydrogen Permeation Barriers in Titanium Aluminium Nitride through First Principles Density Functional Theory Calculations},
author = {Cem Örnek and Rainer Fechte-Heinen},
journal= {arXiv preprint arXiv:2410.01301},
year = {2024}
}