アクチノイド二酸化物（０１１）表面と水素の相互作用

Interaction of hydrogen with actinide dioxide (011) surfaces.

• James T Pegg
• Ashley E Shields
• Mark T Storr
• David O Scanlon
• Nora H de Leeuw

抄録

アクチノイド金属の腐食と酸化は、水素の触媒的進化に伴う金属酸化物表面層の形成につながり、核物質の管理に影響を与えます。ここでは、ハバード補正密度汎関数理論(PBEsol+U)によるアクチノイド二酸化物(AnO, An = U, Np, Pu) (011)表面と水素の相互作用について、スピン軌道相互作用や非共線3k反強磁性挙動を含めて研究した。アクチノイド二酸化物は蛍石型構造で結晶化し、(111)面が結晶形態を支配しているが、(011)面のエネルギーが水素とのより大きな相互作用につながる可能性があることを明らかにした。UO(0.44eV), NpO(-0.47eV), PuO(-1.71eV)(011)表面への水素の解離吸着を計算した結果、UO(0.44eV), NpO(-0.47eV), PuO(-1.71eV)(011)表面では水素が解離吸着することがわかった。PuO(011)表面では水素が解離することがわかったが、UO(011)とNpO(011)表面は比較的不活性であることがわかった。UO(011)表面とNpO(011)表面では水素イオンの再結合が起こりやすいのに対し、PuO(011)表面では水酸化物の生成が起こり、表面構造が歪んでいることが分かりました。

The corrosion and oxidation of actinide metals, leading to the formation of metal-oxide surface layers with the catalytic evolution of hydrogen, impacts the management of nuclear materials. Here, the interaction of hydrogen with actinide dioxide (AnO, An = U, Np, or Pu) (011) surfaces by Hubbard corrected density functional theory (PBEsol+U) has been studied, including spin-orbit interactions and non-collinear 3k anti-ferromagnetic behavior. The actinide dioxides crystalize in the fluorite-type structure, and although the (111) surface dominates the crystal morphology, the (011) surface energetics may lead to more significant interaction with hydrogen. The dissociative adsorption of hydrogen on the UO (0.44 eV), NpO (-0.47 eV), and PuO (-1.71 eV) (011) surfaces has been calculated. It is found that hydrogen dissociates on the PuO (011) surface; however, UO (011) and NpO (011) surfaces are relatively inert. Recombination of hydrogen ions is likely to occur on the UO (011) and NpO (011) surfaces, whereas hydroxide formation is shown to occur on the PuO (011) surface, which distorts the surface structure.