Computer Simulations for Hydrogen Loaded Palladium Clusters

Abstract

In dieser Arbeit wird eine neue Beschreibung für das chemische Potential μ von H in Pd hergeleitet, welche eine Erweiterung von Widoms Methode ist. Dieser exakte Ausdruck μ enthält einen Term, der mit der Konfigurationsentropie einer idealen Lösung übereinstimmt und einem weiterem Term der die Energiezunahme beim hinzufügen von einem weiteren Wasserstoffatom beschreibt. Der letztere Term beruht direkt auf der Wasserstoff - Wasserstoff Wechselwirkung, der Energieveränderung durch Gitterrelaxiation und der Bindungsenergie E von H in Pd. Die Berechnung von μ ist in bulk Pd und einem cuboktahedrischen Palladiumcluster von 923 Atomen mit einer hybriden Monte Carlo - Molekulardynamik Methode (MC-MD) durchgeführt worden. Dabei ist E in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration x in bulk und Cluster berechnet worden. Für diese Berechnungen sind unterschiedliche Potentiale für die Beschreibung der Wechselwirkungen von Pd-Pd, Pd-H und H-H angewendet worden. Bei der Pd-Pd Wechselwirkung sind mehrere Modelle, welche die erste, zweite oder dritte Schale von Nachbarn einbeziehen, behandelt worden. Bei der H-Pd Wechselwirkung sind die nächsten Nachbarn berücksichtigt worden. Für die H-H Wechselwirkung ist ein Modell verwendet worden, dass die nächsten und übernächsten Nachbarn berücksichtigt. Die ausgewählte Pd-Pd Wechselwirkung beschreibt den Gleichgewichtsgitterabstand von reinem Pd. Das H-Pd Potential ist so erstellt worden, dass die elastischen Eigenschaften, die relative Volumenzunahme und die Bindungsenergie E für geringe Konzentrationen beschrieben wird. Das Auftreten des Zweiphasengebiets in bulk PdH wird durch das H-H Potential beschrieben. Die Bindungsenergie E ist für verschiedene Plätze mit einem Wasserstoffatom berechnet worden. Die für oberflächen und innere Plätze gefundenen Energien stimmen mit den experimentellen Daten überein. Die Bindungsenergie in Clustern zeigt keine Richtungsabhängigkeit, aber folgt der Geometrie des Systems. Die berechnete Konzentratinsabhängigkeit von E(x) entspricht bei geringen x den experimentellen Messungen. Gleiche Resultate sind für die relative Volumenänderung bestimmt worden. Es wird gezeigt, das es möglich ist, das chemische Potential μ in bulk und Cluster bei 300 K zu berechnen. Dabei konnte die α-α' Phasentransformation beobachtet werden und die Grenzen von Sievertsabhängigkeit in guter Übereinstimmung mit den Experiment bestimmt werden. Wie auch im Experiment zeigt sich, dass in Clustern eine höhere Löslichkeit in der α-Phase vorhanden ist, welche mit der Maxwellkonstruktion bestimmt worden ist. Außerdem wurden Konfigurationen untersucht, bei denen sich zwei Wasserstoffatome nahe beieinander befinden. Dabei ist gefunden worden, dass (100) Konfigurationen [next nearest neighbour (NN)] eine starke attraktive Wechselwirkung aufweisen, während (110) Konfigurationen [nearest neighbour (N)] repulsiv wechselwirken. Diese zeigt, das in der α Phase bei moderaten Temperaturen eine kettenförmige Verteilung bevorzugt ist.