铀氢二元体系组成-结构-性质的第一性原理计算

发布时间：2021-01-23 00:14

　　铀的氢化物是当前核材料领域的研究热点之一,在核电技术、铀的氢腐蚀和储氢材料具有广泛的应用前景。随着计算速度的提高和晶体结构预测算法的成熟,通过计算探索新材料和新结构,已成为材料科学研究的重要手段之一。在此基础上,本文围绕铀氢二元体系,通过晶体结构预测算法和第一性原理计算相结合,系统地研究U-H二元体系在不同压力下“组成-结构-性质”之间的关系,主要的研究内容和结论如下:（1）通过变组分的晶体结构搜索和第一性原理计算相结合,分别预测了在0 GPa、20 GPa、50 GPa、100 GPa、150 GPa、200 GPa、250 GPa和300 GPa下UHx（x=1,2,3,4,5,6,7,8,9,17）、U2Hy（y=3,5,7,13,15,17）、U3H8、U3H10、U4H5和U4H9这20种铀的氢化物,并通过凸包线原理确定了它们稳定存在的压力区间范围。在这20种铀的氢化物当中,UH4、U3H10、U4H9和U2Hy（y=3,5,7,15,17）是热力学亚稳组成和结构,而其他的组成和结构都是热力学稳定的,其中有七个新组成和结构Cmcm-UH3、Fmmm-UH4、R3m-U2H7、... 

【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

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?（ｂ）?Ｐｍ３ｎ－ｐ－ＵＨ３??卜！《讀??图１．１晶体结构（３）？１１１５１１－（１－１１１１３和（１））？？＾１１＋１１１１３．菊蓝色的球代表铀原子，淡粉色的球??代表了氢原子??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｈｅ?ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?（ａ）?Ｐｍ３ｎ－Ｐ－ＵＨ３ａｔ?０?ＧＰａ?ａｎｄ?（ｂ）?Ｐｍ３ｎ－ａ－ＵＨ３?ａｔ?０?ＧＰａ．??Ｎｏｔｅ?ｔｈａｔ?ｔｈｅ?ｃｏｒｎｆｌｏｗｅｒｂｌｕｅ?ａｎｄ?ｌｉｇｈｔｐｉｎｋ?ｓｐｈｅｒｅｓ?ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ?Ｕ?ａｎｄ?Ｈ?ａｔｏｍｓ，?ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．??１．１．２铀的氢化物的研究现状??关于铀的氢化物的研究，从１９１２年开始有正式的文献报道。Ｓｉｅｖｅｒｔｓ等人［１２］??第一次报道了关于铀的氢化物的测量，但是没有得到铀氢化物的正确的化学式。??到了?１９３１年，Ｄｒｉｇｇｓ［１３］获得了在２５０°Ｃ通过金属铀和氢气反应制取ＵＨ３的美国??专利。在曼哈顿计划期间，有过一些关于ＵＨ３在２００°Ｃ存在的报道［１４＇１８］。随后在??１９５４年，Ｍｕｌｆｏｒｄ等人［８］精确的测量了?ＵＨ３，发现了并且确定了新的亚稳相ａ－ＵＨ３，??并得到ａ－ＵＨ３和Ｐ－ＵＨ３的晶格常数精确数值。从此铀的氢化物研究以ａ－ＵＨ３和??Ｐ－ＵＨ３为主要对象来展开。??对ａ－ＵＨ３和Ｐ－ＵＨ３实验上有不少研究，而这些研究主要还是围绕着Ｕ－Ｈ相??关系和它们的化学反应动力学之间进行的。例如

是分解为相邻的化学计量比的结构，然后在更高的压强下再次变得稳定。新发现??的１＾（：＾成分拥有独特的结构特点，并且它们的化学键结合类型丰富。例如，在??图１．３中，ｈ５ｃｉ当中的三角ｈ３＋阳离子和ｃｒ阴离子网格之间的通过静电相互作用??而稳定。施加更高的压力下，促使氏和１１３＋阳离子结合形成Ｈ５＋的单元。这些在??简单Ｈ－Ｃ１体系中发现的意想不到的结构和化学健的复杂性，将有助于理解压力??对化学键的影响。??０?８７６?Ａ??ｃ?＇?Ｈ—Ｈ??＾?—＊１－?ａｎｔｉｂｏｎｄｉｎｇ?〇?８５６?ａ＼＾／ｏ?８８０?Ａ??Ｑ?１０８６?Ａ?／?＼?１０８３?Ａ??（＞〇?Ｉｆａ，＇?ｂｏｎｄｉｎｇ?＇Ｈ??０７５３?Ａ??Ｈ?？?Ｈ?？?Ｈ?？?Ｈ?？??Ｈ—二?Ｗ?Ｈ?Ａ??图１．?３?ＨＳＣ１的晶体结构：（ａ）在１５０?ＧＰａ下的Ｐｃ相，（ｂ）在３５０?ＧＰａ下的Ｐ２＃相，（ｃ和ｄ）?Ｈ３＋??分子轨道和Ｌｅｗｉｓ结构示意图１３３１??Ｆｉｇ．?１．３?Ｃｒｙｓｔａｌ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｏｆ?Ｈ５ＣＩ?ｉｎ?ｔｈｅ?（ａ）?Ｐｃ?ｐｈａｓｅ?ａｔ?１５０?ＧＰａ?ａｎｄ?（ｂ）?Ｐ２ｉ／ｃ?ｐｈａｓｅ?ａｔ?３５０??ＧＰａ．?（ｃ?ａｎｄ?ｄ）?Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ?ｏｒｂｉｔａｌ?ｄｉａｇｒａｍ?ａｎｄ?Ｌｅｗｉｓ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ?ｆｏｒ?ｔｈｅ?Ｈ３＋?ｃａｔｉｏｎ丨３３１．??Ａｓｈｃｒｏｆｔ扩展了他最初提出的高压下金属氢具有高温超导性的预测［３４］，并在??随后提出


本文编号：2994169