Rh-ZSM-5分子筛吸附CO、H_2O和O_2的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)结合簇模型方法研究了小分子CO、H_2O和O_2在Rh交换的ZSM-5分子筛(Rh-ZSM-5)上的吸附.理论计算结果表明:H_2O和O_2或CO可共吸附在Rh~+上形成四配位铑配合物,其中Rh仅与ZSM-5表面的一个桥氧配位;在H_2O和O_2共存时,最稳定的表面吸附物种为Rh(H_2O)_2(O_2),含一个超氧离子;引入具有强配位能力的CO后,最稳定的表面吸附物种为Rh(CO)_2(H_2O),阻碍了O_2的化学吸附.这暗示此前人们认为在CH_4/CO/H_2O/O_2/Rh-ZSM-5混合体系中通过O_2的化学吸附活化甲烷的机理还有待进一步商榷.     

MgO(001)表面负载CrW_2O_9团簇构型和电子结构的理论研究

采用基于第一性原理的分子动力学与量子力学相结合的方法,对CrW_2O_9团簇在MgO(001)完整表面的吸附构型、稳定性以及电子结构进行了系统的研究.研究结果表明,CrW_2O_9团簇通过Cr、W以及O原子与MgO(001)表面作用,并可能以六元环、帽状或双环结构沉积在MgO(001)表面,其中热力学最稳定的吸附构型为CrW_2O_9团簇以六元环的结构吸附在MgO(001)完整表面.吸附后,有较多的电子从表面转移到团簇,与W3O9/MgO(001)体系相比,CrW_2O_9团簇的电子态出现在MgO(001)表面的带隙中,且主要为Cr 3d轨道的贡献,这将对体系的催化性能产生显著影响.     

CO和O_2与Au_n~m簇相互作用的DFT研究(II)

采用B3LYP//LAN2DZ和相对论赝势ECP对Au、6-311+G*基组对C和O水平下,对O2和CO+O2在Aum n(n=3⁵,m=0,±1)上发生单分子和双分子吸附的可能结构进行全优化和振动分析。获得了Au n(O2)m和Au n CO(O2)m最低能量结构。通过对其结构和能量分析,给出了O2和CO+O2与Aum n相互作用性质和变化规律。结果表明,O2在Au+n上吸附能均较小而难形成稳定吸附,其反应活性在Au n上呈奇偶交替现象,O2仅在偶数Au-4上发生有效吸附。CO和O2在Au+n和Au n(n=45,m=0,±1)上发生单分子和双分子吸附的可能结构进行全优化和振动分析。获得了Au n(O2)m和Au n CO(O2)m最低能量结构。通过对其结构和能量分析,给出了O2和CO+O2与Aum n相互作用性质和变化规律。结果表明,O2在Au+n上吸附能均较小而难形成稳定吸附,其反应活性在Au n上呈奇偶交替现象,O2仅在偶数Au-4上发生有效吸附。CO和O2在Au+n和Au n(n=4⁵)上无明显协同吸附,二者在Au-4上存在明显协同吸附效应,而在Au3和Au-3上仅有弱协同效应。Au n(CO)O-2(n=35)上无明显协同吸附,二者在Au-4上存在明显协同吸附效应,而在Au3和Au-3上仅有弱协同效应。Au n(CO)O-2(n=3⁵)中C—O和O—O键长增大、相应伸缩振动频率降低,表明Aun对C—O和O—O键有活化作用,它们可能是CO低温氧化的活性组分。可以推断,能够稳定阴离子Au簇的氧化物载体对提高氧化物负载纳米Au催化剂催化活性有利。     

CeO2(111)表面的氧物种对Au的活化吸附

采用第一性原理的经过库仑力修正的密度泛函方法,研究了CeO_2(111)表面不同氧空穴附近形成的不同的活性O_2物种.在此基础上,研究这些O_2物种对Au原子的吸附能力,得到过氧O_2-2对Au吸附能为1.8eV,吸附较强;超氧O-2对Au的吸附能为0.4eV,吸附较弱.研究结果为Au/CeO_2催化CO氧化提供了重要理论思路.     

溶氧水在Fe（001）表面吸附的第一性原理研究

为了研究溶解氧含量对Fe基换热表面腐蚀行为的影响机理,根据第一性原理,对O2单分子、H2O单分子和溶氧水体系在Fe基换热表面的吸附进行了研究,采用GGA/PBE,近似计算吸附过程中的吸附能量、态密度及布居数变化。计算结果表明:含氧水溶液中溶液与Fe基表面存在表面吸附,水分子趋向于顶位吸附,氧分子趋向于Griffiths吸附;H2O分子在Fe(001)表面吸附而相互作用时,引起了界面双电层电荷分布的变化,使Fe原子失去电子带正电,导致表面电位发生变化;O2分子在Fe(001)晶面吸附时,促使Fe(001)表面原子失去电子,表面电位增加,O2分子与表面Fe原子易于发生电子转移,其中O原子的2p轨道对于O2分子在Fe(001)晶面的吸附起主要作用;随着溶氧水体系中O2分子所占比例的增大,吸附能的绝对值也随之增加,Fe基换热表面相互作用更强。研究探明了不同溶氧量对Fe基换热表面腐蚀的影响规律,为实验研究金属基体腐蚀机理提供了理论参考。     

O2在M2-(M=Au,Ag,Cu,Pt)系列团簇上的吸附行为研究

用密度泛函理论(DFT)方法研究了O2在M2-(M=Au,Ag,Cu,Pt)系列团簇上的吸附行为,首次确定存在2个O原子与同一个Au作用的吸附方式(记为D2),并讨论了该吸附方式对Au2-催化CO氧化的重要作用.结果表明,相对于研究者所关注的O原子与Au作用的D1吸附方式,D2吸附方式的O2分子活化程度更高,更有利于促进CO氧化.相对D1吸附方式,从D2式出发,CO按Eley-Rideal机理插入形成Au2CO3-的势垒更低,稳定性更高,更有利于CO2脱附.Ag体系的计算结果与Au类似,Cu、Pt体系则明显不同.     

CO吸附在Pd/Pt(111)双金属表面的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论研究了CO在Pd/Pt(111)双金属表面的吸附性质.分别考虑了Pd原子全部取代表层Pt原子以及部分取代表层和次表层Pt原子的情况,分析了CO吸附在双金属不同表面的吸附能、C-O和C-Pt键长及振动频率.结果表明无论是在表层或者次表层加入Pd原子,相比CO吸附在干净Pt(111)表面情况,CO在双金属表面的吸附能几乎没有变化,而键长、频率也未见明显改变.这些吸附特性说明Pt催化剂的抗CO中毒性质主要依赖于最外层的Pt原子,临近的Pd原子可能会对其产生影响,但是未见明显变化.     

CO吸附于PtRu合金(100)面上的DFT理论研究

采用DFT方法对CO吸附在PtRu(100)表面的吸附行为进行系统性的研究,分析了键参数及电子结构．结果表明Ru的加入确实能削弱CO在合金上的吸附并且活化CO分子．当Ru的含量达50％时,PtRu催化剂抗CO中毒能力最强．另外CO分子在合金表面的吸附还和其吸附位及表面原子排布有关,CO吸附在Pt上较吸附于Ru上更强,吸附位周围分布Ru较分布Pt更促进CO分子的活化．     

CO、N_2O和NH_3在(Cu,N)/TiO_2(001)表面吸附的第一性原理研究

基于(Cu,N)共掺杂Ti O2(001)表面最稳定结构,采用第一性原理计算了有毒气体CO、NO和NH3在上述表面不同原子位的吸附,通过吸附能的比较得出了最佳吸附位置及吸附结构;通过对吸附后原子态密度的计算,分析了气体的最佳化学吸附的物理机制。最后,文章还将计算结果与其在其它表面状态下的前人结果进行了对比。     

SP~3杂化的气体分子在金红石相二氧化钛(110)面吸附规律与特性

采用基于密度泛函理论(DFT)体系下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了sp3杂化气体分子H2O,NH3和CH4在金红石相Ti O2(110)表面的吸附.研究发现:含有氧空位的表面较无氧空位表面更容易吸附气体分子.影响吸附稳定性和吸附能的主要因素是分子的极化率,分子极化率越大,吸附越稳定.表面氧空位对分子负电荷中心的吸附是整个吸附的主要原因.通过差分电荷密度和电荷布居数分析来看,表面与吸附分子存在电荷转移,转移电子数目大小为:NOC,吸附方式为化学吸附,吸附稳定性为NH3H2OCH4.通过态密度、吸收谱和反射谱分析发现,表面氧空位缺陷使材料在费米能级附近出现了态密度峰值,极大地改变了材料的光学性质,占主导作用;而表面吸附H2O,NH3,CH4分子后对表面的光学性质影响相对较低,占辅助作用.O,N,C原子的电子在费米能级附近的态密度贡献为NOC,与转移电子数目顺序一致.相比氧空位表面,吸附CH4后对材料的光学性质影响不大,但吸附H2O和NH3后其吸收系数和反射率有所降低.这为进一步研究该材料的气敏传感特性提供了理论基础.     

乙二醇在Pt及其Sb, S修饰电极上的吸附氧化过程

研究了0.1 mol L -1 H2SO4中乙二醇在Pt电极和以吸附原子修饰的Pt (Pt/Sbad和Pt/Sad)电极上的吸附和氧化过程. 结果表明, 乙二醇的氧化与电极表面氧物种有着极其密切的关系. Pt电极表面Sb吸附原子能在较低的电位下吸附氧,可显著提高乙二醇电催化氧化活性. 与Pt电极相比较, Sb吸附原子修饰的Pt电极使乙二醇氧化峰电位负移了0.20 V, 峰电流增加了近3 倍. 相反,Pt电极表面S吸附原子的氧化会消耗表面氧物种,几乎完全抑制了乙二醇的电氧化.     

掺杂Pt/Pd石墨烯体系的气体吸附性

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算分析了Pt/Pd 2种过渡金属元素掺杂的石墨烯吸附O2和CO体系的原子和电子结构,对本征石墨烯和掺杂后石墨烯体系吸附气体的吸附能、电荷转移、能带结构和电子态密度进行分析对比.由掺杂前后的结果分析发现,本征石墨烯吸附气体时的吸附能与电荷转移都较小,Pt/Pd原子的掺杂使吸附体系的吸附能和电荷转移显著增大.由于基态Pt原子核外电子d轨道未满,费米能级附近电子态密度较高,而Pd原子核外电子d轨道全满,掺杂Pt原子的石墨烯体系吸附能、电荷转移都比掺杂Pd原子的石墨烯体系大,掺杂Pt原子改善石墨烯气敏性能.     

含氧空位锐钛矿表面的非金属杂质对其吸附NH3特性的影响

【目的】金属氧化物光学气敏材料可用来灵敏检测环境气体成分及浓度,而对这一材料的掺杂是改善其光学气敏特性的一种重要途径。【方法】基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,模拟计算了含氧空位锐钛矿Ti O2(101)表面掺杂非金属C、N、F对 NH3 分子吸附,对掺杂后锐钛矿 TiO2(101)表面结构的稳定性、NH3 分子吸附后表面结构的稳定性、态密度、电荷分布、差分电荷密 度、光学性质给以理论 分析。【结果】分析发现:非金属杂质C,N,F 易掺杂于有氧空位的TiO2(101)表面,且有基底的稳定性从大到小依次为 C,N,F;杂质元素掺杂于基底表面提高了基底表面氧空位的氧化性,更有助于NH3分子的吸附,且杂质元素对基底氧空位氧化性的贡献从小到大依次为 C,N,F;通过态密度和光学性质分析,NH3 分子吸附在 C和 N 掺杂于含氧空位 Ti O2(101)基底表面相对于无掺杂含氧空位 Ti O2(101)基底表面降低了材料在可见光范围内的利用率;而吸附在 F元素掺杂于含氧空位 Ti O2(101)基底表面对可见光范围内的利用率相对于吸附在无掺杂含氧空位Ti O2(101)基底表面的利用率提高了5倍。【结论】掺杂 F 元素显著的提高了材 料 的 光 学 气 敏 传 感能力。
     

CuO—La2O3／γ—Al2O3上CO和NO吸附的红外光谱研究

应用XRD分析了催化剂的体相结构,用红外光谱研究了CO和NO在CuO-La_2O_3/γ-Al_2O_3催化剂上的吸附,并对表面铜的价态进行了表征。氧化态样品的体相存在CuO、CuAl_2O_4,可能还有CuLa_2O_4物相,表面铜以 2价的形式存在。还原态样品的体相存在Cu~0、CuLa_2O_4,可能还有CuAlO_2,表面存在Cu~0、Ca~ 和少量的Cu~(2 )。CO容易在Cu~.、Cu_2O及CuAlO_2上形成分子态吸附;同时还存在HCO_3~-、CO_3~(2-)物种。NO容易吸附在CuO、CuAl_2O_4和CuLa_2O_4上,在Cu~0上可能解离吸附,还产生NO_3~-吸附物种。氧化态样品上,150℃以上,CO使Cu~(2 )还原为Cu~ 。还原态样品上,NO和CO交替吸附和共吸附实验证明低温出现了NO/Cu~(2 )和CO/Cu~ 的选择吸附现象。     

Ir在La_2O_2CO_3(001)表面吸附的理论研究

制氢技术是发展燃料电池的关键技术之一,而目前研究较多且具有良好应用前景的制氢技术是醇类水蒸气重整制氢法制氢.具有高活性、高选择性、高稳定性的催化剂在醇类催化制氢过程中起重大作用.采用密度泛函和周期边界模型对La2O2CO3负载Ir催化剂体系界面作用作了理论研究,计算了Ir在La2O2CO3(001)面上的各个吸附位点的吸附能.计算表明Ir原子在La2O2CO3(001)面上各个吸附位点上均发生化学吸附,其中吸附能最高的吸附位点为桥位平行,其吸附能为-479.863 kJ/mol.进而计算了Ir在Ca掺杂的La2O2CO3(001)面上各位点吸附能,结果表明Ca掺杂后的载体对Ir的吸附能力大大提高,且桥位平行位点依旧为最佳吸附位点,其吸附能达到-676.971 kJ/mol.     

N/Fe共掺杂锐钛矿TiO_2(001)面协同作用的第一性原理研究

基于周期性密度泛函理论,本文研究了Fe在锐钛矿TiO2(001)面吸附、替位掺杂及晶隙掺杂,以及N在Fe/TiO2(001)稳定结构上的吸附及掺杂.讨论了不同掺杂后晶体稳定结构、形成能、能带结构及态密度的变化.为与表面氧空位进行对比,计算了氧空位存在下TiO2(001)面的能带结构.通过形成能的比较可以发现,Fe原子更倾向于掺杂在晶体(001)表面晶隙,N则倾向于吸附在Fe顶部,并形成稳定的N-Fe键.通过对电子结构的分析发现:稳定的N-Fe共吸附形式,使得TiO2呈现出金属性,有利于其催化氧化性能的提升.     

SnO2(110)表面In掺杂对NO2气敏吸附性能提升的理论研究

为了阐明In的掺杂能提高SnO₂(110)表面气敏性能的反应机制,采用密度泛函理论研究了NO₂分子在In掺杂SnO₂(110)表面的吸附行为. 计算结果表明:In的掺杂可以提高材料表面的导电性,形成具有氧空位的缺陷表面,有利于发生活性氧在表面的预吸附过程. 掺杂的In_5c/SnO₂(110)表面对NO₂表现出良好的吸附性,对NO₂气体的选择性和灵敏度提高的主要原因是In掺杂后氧空位缺陷表面的形成. 此外,活性氧物种的预吸附对材料表面气敏性能的影响取决于NO₂在材料表面的具体吸附位点,其中Sn_5c位点的吸附促使电荷从表面转移到气体分子,导致表面电阻的增大以及氧空位的产生,从而表现出优异的气敏吸附性能.     

CO在Pt(111)表面吸附的从头算研究

本文在超胞近似和slab模型的基础上,采用广义梯度近似(GGA)下的RPBE(Revised Perdew-Burke-Ernzerhof)泛函对CO-Pt(111)体系进行了理论研究.对体系的吸附能、C-O键和C-Pt键的键长、CO的振动频率以及电子态密度(DOS)进行了计算和分析.结果表明,在0.25ML(mono-layer)的覆盖度下,CO在顶位(top)、桥位(bridge)、两个三重洞位(fcc和hcp)的吸附能非常接近,这说明CO在Pt(111)面比较容易扩散.在顶位,C-O键和C-Pt键的键长分别为1.16和1.85,CO的振动频率为2069cm-1.通过态密度分析表明,CO吸附在桥位和洞位时,其分子轨道3σ、4σ、1π、5σ轨道均参与成键,但是CO吸附在顶位时,仅有4σ、1π、5σ轨道参与成键,这可能与CO吸附在表面时和不同数目的Pt原子结合密切相关.     

Au原子在H-Si（001）表面扩散的研究

本文用第一原理总能理论研究了金属Au在H-Si(001)表面的吸附与扩散。计算表明,Au原子的吸附不能打破Si二聚体键,其稳定吸附位置处于一个Si二聚体的中部;同时还给出了Au原子处于其它位置时的能量以及相对于Si(001)表面的高度,分析了Au原子在H-Si(001)表面的可能扩散路径。     

氧在La/SrMnO3（001）表面吸附、解离和表面扩散的第一性原理

采用基于密度泛函的第一性原理的方法,同时结合Nudged Elastic Band方法,系统研究O原子和O2分子在La/SrMnO3(001)表面的吸附过程。给出O2分子在MnO2、LaO和SrO外表面的解离路径和势垒;研究O原子在三种表面的扩散过程,计算出各扩散路径的势垒和最稳定的吸附位置的基本情况。在此基础上,通过比较解离、扩散和放氧环节的激活能数据,提出O2的解离和表面放氧过程均为速率控制步骤。进一步为La/SrMnO3作为固体阴极材料时决定性能的第一步吸附反应提供理论数据的支持.