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中科院物理所將原子核量子化用于氫傳輸研究

2008-12-18 來(lái)源：中國(guó)聚合物網(wǎng)

鈣鈦礦型氧化物中氫傳輸因其潛在的電化學(xué)應(yīng)用引起了廣泛的研究興趣。BaZrO3由于其高對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)，可以作為同類型鈣鈦礦氧化物中氫輸運(yùn)的簡(jiǎn)單模型。氫核在BaZrO3中的傳輸可分解為兩個(gè)基本過(guò)程：圍繞氧原子的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程和氧原子之間的轉(zhuǎn)移過(guò)程。長(zhǎng)期以來(lái)，理論模擬和實(shí)驗(yàn)關(guān)于這兩個(gè)基本過(guò)程存在較大分歧。理論計(jì)算表明，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的勢(shì)壘較低，因此其速率較大；而光譜實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)氫鍵作用則傾向于轉(zhuǎn)移過(guò)程更快的觀點(diǎn)。

一般的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和分子動(dòng)力學(xué)模擬中，原子核被當(dāng)作經(jīng)典粒子。而對(duì)于包含輕元素（如H，Li）的體系，經(jīng)典處理會(huì)帶來(lái)較大誤差。因而將原子核量子化應(yīng)用于氫傳輸研究是十分必要的。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室博士生張千帆和導(dǎo)師王恩哥，高世武研究員與瑞典查爾莫斯理工學(xué)院Wahnstrom教授小組合作，采用路徑積分分子動(dòng)力學(xué)（PIMD）結(jié)合密度泛函理論（DFT）這種可以將體系全量子化的模擬方法研究了氫核在BaZrO3中的兩個(gè)基本過(guò)程，并且通過(guò)和經(jīng)典動(dòng)力學(xué)模擬的比較來(lái)考察氫核的量子振動(dòng)對(duì)兩個(gè)過(guò)程的不同影響。

通過(guò)經(jīng)典和量子動(dòng)力學(xué)對(duì)兩個(gè)過(guò)程勢(shì)壘的計(jì)算，可以看出考慮氫核的量子效應(yīng)之后，轉(zhuǎn)移過(guò)程的勢(shì)壘有了很明顯的下降而轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程的勢(shì)壘變化很小，因而本來(lái)在經(jīng)典動(dòng)力學(xué)模擬中較高的轉(zhuǎn)移勢(shì)壘變得低于轉(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)壘，使得轉(zhuǎn)移過(guò)程速率更大，這和相關(guān)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相符。由于長(zhǎng)程傳輸?shù)乃俾手饕Q于慢過(guò)程，因而考慮了核的量子效應(yīng)后，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程成為決定長(zhǎng)程傳輸?shù)闹饕蛩亍?/DIV>

他們用零點(diǎn)振動(dòng)的理論解釋了核量子振動(dòng)對(duì)兩個(gè)過(guò)程影響的差異。轉(zhuǎn)移過(guò)程包含了H-O鍵的打破和產(chǎn)生，因此整個(gè)過(guò)程中氫核的振動(dòng)性質(zhì)會(huì)發(fā)生明顯變化；而轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有化學(xué)鍵的變化，因此氫核的振動(dòng)性質(zhì)變化不大。

這項(xiàng)研究工作得到中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金和瑞典STINT基金的支持。結(jié)果已發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》（Physics Review Letters）。

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（責(zé)任編輯：蔚藍(lán)）

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