用第一性原理研究氮在V x Fe y和V x Cr y合金膜上的解离、溶解和扩散( Dissociation, Dissolution and Diffusion of Nitrogen on V x Fe y and V x Cr y Alloy Membranes Studied by First Principles )

P Psarras R Anderson J Wilcox DA Gómez-Gualdrón

选择N2的金属膜可用于在单一膜反应器内耦合烟气中N2的提取和NH3的合成。BCC金属较大的间隙使得它们对大N原子的快速渗透具有吸引力。值得注意的是，迄今为止报道的纯BCC金属（如V、Cr、Fe、Mo、W)的N渗透率不足以用于实际应用。然而，通过对这些金属进行合金化可以获得实际的渗透性。本文利用密度泛函理论(DFT)研究了氮溶解度高而氮扩散率低的V-A金属与Fe和Cr合金化对氮的解离、溶解和扩散的影响。尽管研究了空位处的氮结合，但与规则的间隙位相比，这些缺陷处的结合不是特别强，因此可能不会显著影响溶解度。该合金存在两种类型的间隙八面体(o)位：富V的(o1)和贫V的(o2)。氮的结合强度与V的近邻数有关，因此o1位的结合强度比o2位的结合强度平均强1 eV。从头算热力学表明，强结合位点和弱结合位点的结合缓解了合金化所预期的溶解度降低（至少在相关操作条件下）。然而，空隙位点的不均匀性通常导致了比纯V(1.24eV)中遇到的更高的N跳跃能垒。V0.25Fe0.75合金(1.01eV)是此观察结果的例外。在673 K和5 bar（氮气压力）下,V0.25Fe0.75中N的溶解度和扩散率分别比V小3倍和大53倍。根据溶液扩散模型,V0.25Fe0.75的磁导率比V高18倍,磁导率受体扩散而不是表面过程控制,因为在所有合金中,N2在合金表面解离的能垒比体扩散的能垒低。

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