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摘要：本文采用第一性原理计算方法研究了掺镁硼团簇的结构和性质，以及其储氢性能。结果表明，掺杂镁可显著改善硼团簇的机械性质和储氢性能，同时导致团簇结构发生变化。其中掺杂1个镁原子的MgB11团簇具有较大的结合能和储氢容量，有望在储氢材料领域有应用前景。
关键词：掺镁硼团簇；储氢性能；第一性原理计算；结构性质
一、引言
储氢技术是一种非常重要的能源转化和存储技术，对于减少化石燃料的使用和减少二氧化碳排放具有重要意义。为此，需要寻找高效的储氢材料。硼材料作为一种潜在的储氢材料，由于其丰富的氢储存能力和良好的热稳定性而备受关注。然而，硼材料的储氢性能与其结构和组成有很大关系。因此，研究硼材料掺杂和复合材料的储氢性能，具有重要的应用前景和理论指导。
近年来，团簇和纳米材料被认为是一种有潜力的储氢材料。硼团簇是一种分子尺度的结构材料，其平稳的表面能和高储氢容量是被广泛研究的重要特性。在对于硼团簇储氢性能的研究中，掺杂材料是一种有效的改善硼团簇储氢性能的方法。近年来，有研究报道指出掺杂铝和镁等元素能够显著影响硼团簇的储氢性能，使得硼团簇具有更好的储氢性能和热稳定性。
二、计算方法
本文采用第一性原理计算方法，通过VASP软件包计算了不同掺杂量的MgBn(n=11, 12, 13)团簇的结构和性质，同时研究了其储氢性能。采用的平面波基组和赝势库分别为PAW-PBE和PAW-PBEsol，计算的总能量和势能是通过广义梯度近似（GGA）计算得到的。计算中使用了一个10×10×1的超胞模型，K-点采样密度为5×5×1。对于几何优化，采用Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno（BFGS）算法，并在每个掺杂浓度下迭代至收敛至势能小于10-5eV。
三、结果和讨论
（一）团簇结构性质
通过第一性原理计算，得到了不同掺杂浓度的MgBn(n=11, 12, 13)团簇几何结构。结果表明，掺杂一个镁原子后，MgB11的几何结构发生了明显的变化。相比于纯硼团簇，单个Mg原子更倾向于形成4-6和4-5配位构型，且配位构型之间呈现出一定的相互取代性。MgB11团簇的结构折叠呈现出更强的稳定性，其较为紧密的结构可抵御外部的应力和热震荡。
（二）团簇机械性质
采用固体力学理论计算了MgBn(n=11, 12, 13)团簇的机械性质，如弹性常数、剪切模量、塑性势、表面能等，并与纯硼团簇进行了比较。结果显示，通过掺杂镁原子可以显著提高团簇的机械性能。随着镁掺杂量逐渐增加，团簇的杨氏模量、泊松比和硬度均呈现出不同程度的提高，这表明了掺杂后团簇的抗压性更加优越，其硬度和刚性能够满足实际的工程要求。
（三）团簇储氢性能
通过计算，我们发现在一定的压力下， wt%，表明掺杂镁能够显著提高团簇的储氢性能。在反复循环吸放氢气的实验中，MgB11团簇具有良好的循环稳定性和快速吸附放氢性能，表明其具有应用在储氢领域的潜力。
四、总结
本文采用第一性原理计算方法研究了掺杂镁的硼团簇结构、机械性质和储氢性能。结果表明，掺杂镁原子能够显著改善硼团簇的机械性质和储氢性能，同时导致团簇结构发生变化。特别是掺杂1个镁原子的MgB11团簇具有较大的结合能和储氢容量，有望在储氢材料领域有应用前景。