PFOS在锐钛型TiO2表面吸附行为的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法对全氟辛烷磺酸(PFOS)在锐钛型TiO2表面的化学吸附和物理吸附行为进行了研究,其中化学吸附包含双齿双核(BB)和单齿单核(MM)在内的4种可能的吸附构型.吸附能(Eads)及反应吉布斯自由能(ΔGads)的计算结果表明,PFOS分子易于与TiO2表面发生氢键作用吸附;化学吸附表现为PFOS分子与TiO2表面的水分子(H2O)和羟基(—OH)反应,且与取代—OH相比,H2O取代相对更容易发生,其中,MM1构型(取代一个表面水分子)为化学吸附中的优势构型.PFOS在锐钛矿表面吸附的热力学稳定性和反应自发性顺序如下:H-Bonded(氢键吸附)>MM1(取代一个表面水分子)>BB1(取代两个表面水分子)>MM2(取代一个表面羟基)>BB2(取代一个表面水分子和一个表面羟基).成键结构分析表明,TiO2表面H2O/—OH官能团与PFOS上的磺酸基之间形成了中等强度的氢键;在化学吸附过程中,电荷从PFOS分子向TiO2表面发生转移,生成Ti—O—S化学键,电荷转移主要来自PFOS分子的O和F原子.     

Cl2和O2在TiC(100)表面共吸附行为的密度泛函理论分析

基于密度泛函理论的第一性原理从头计算方法,建立了Cl₂和O₂在TiC(100)表面的共吸附模型.通过分析吸附能、电荷密度和偏态密度(PDOS)等参数,研究了Cl₂和O₂在TiC(100)表面的反应机理,发现解离后的Cl原子和O原子与TiC(100)表面的原子均成键,从而破坏了Ti—C键.Cl₂分子在吸附过程中充当电子的受体,得到与之成键的Ti原子贡献的电子,O₂分子在吸附过程中也充当电子的受体,得到C原子贡献的电子.TiC(100)表面在吸附分子后,Ti—C成键轨道上电子占据数变少,反键轨道上电子占据数增多,Ti原子与C原子之间的成键作用减弱.同时,Ti3d与Cl3s,Cl3p发生轨道重叠杂化作用,O2p轨道和C2p轨道存在较强的共振峰,Cl原子和O原子与TiC表面相互作用强烈.     

水分子在MoO3原子簇模型表面吸附的密度泛函研究

利用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在LANL2DZ基组上,计算了水分子吸附前后MoO3原子簇模型物的优化几何构型和电子结构,并进行了二级Mφller-Plesset微扰(MP2)相关能计算.结果表明,当水分子吸附于模型分子后,由于占据了MO5+空位,从原来留有空位的MoO5H4模型转变为MoO5H4·H2O模型的正八面体构型,水分子的氧通过占据在π键轨道中的电子向中心原子Mo的d轨道配位而被吸附,且水分子在模型物质表面呈吸附状态后,体系最稳定,能量最小,吸附过程不必翻越能垒,该过程放热91.39kJ/mol(MP2相关能校正),研究结果对催化剂的使用、失活和再生有较好的指导意义.     

Impurity atom

气体分子与光催化剂之间的相互作用对于光催化反应的触发非常重要.对于Ti O2, ZnO和WO3等传统金属氧化物光催化剂上的水分解反应而言,已有许多报道研究了水分子在它们表面的吸附行为.结果表明,水分子与催化剂表面的原子形成了O–H…O氢键.石墨相氮化碳(g-C3N4)是一种具有可见光响应且化学性质稳定的光催化剂,对其进行修饰以增强其分解水产氢性能的研究非常多.本文通过密度泛函理论计算,全面研究了水分子在均三嗪(s-triazine)基g-C3N4上的吸附情况.首先构建了一系列初始吸附模型,考察了各种吸附位和水分子的朝向.通过比较分析计算得到的吸附能,确定了一种最优的吸附构型,即水分子以竖直的朝向吸附于褶皱的单层g-C3N4表面.水分子中的一个极性O–H键与g-C3N4中一个二配位富电子的氮原子结合形成了分子间的O–H…N氢键.其中, H原子与N原子的间距为1.92?, O–H键的键长由0.976?增至0.994?.进一步通过计算Mulliken电荷,态密度和静电势曲线分析了该吸附体系的电子性质.结果发现在分子间氢键的桥接作用下, g-C3N4上的电子转移至水分子,由此导致g-C3N4的费米能级降低,功函数由4.21 eV增至5.30 eV.在该吸附模型的基础上,考查了不同的吸附距离.当水分子与g-C3N4的间距设为1至4?时,几何优化后总是能得到相同的吸附构型,吸附能和氢键长度也十分相近.随后,通过改变吸附基底g-C3N4的大小和形状,验证了这种吸附构型具有很强的重复性.将2?2单层g-C3N4吸附基底替换为2?2多层g-C3N4 (2至5层), 3?3和4?4单层g-C3N4,以及具有不同管径的单壁g-C3N4纳米管后,水分子的吸附能随着体系原子数的增多而增大,但吸附模型的几何结构和电子性质基本不变,包括O–H…N氢键的形成和键长,以及电子转移和增大的功函数.另外还研究了非金属元素(P, O, S, Se, F, Cl和Br)掺杂对吸附能的影响.构建模型时,杂质原子以取代二配位氮原子的方式进行掺杂,水分子放置于杂质原子上方.结果显示,引入杂质原子后水分子的吸附能增大,在理论上从吸附的角度解释了元素掺杂增强g-C3N4分解水活性.总之,本文揭示了一种在分子间氢键的作用下,具有高取向性的水分子吸附的g-C3N4构型,这有助于g-C3N4基光催化剂上水分解过程的理解和优化设计.     

N2分子在UO（100）表面的吸附与解离

运用密度泛函理论中广义梯度近似(GGA)的VWN-BP方法结合周期性平板模型,研究N2在UO(100)表面的吸附.研究表明,N2平行吸附在UO(100)表面穴位为最稳定吸附构型,吸附能为79.0 kJ·mol-1.Mulliken布居分析显示,N2获得电子.吸附后,N-N伸缩振动频率发生红移.波数在1770-2143 cm-1之间.态密度分析表明,U原子将df电子转移至N2的2π轨道.计算所得解离反应的能垒为266.9 kJ·mol-1.     

N2分子在UO(100)表面的吸附与解离

运用密度泛函理论中广义梯度近似(GGA)的VWN-BP方法结合周期性平板模型, 研究N2在UO(100)表面的吸附. 研究表明, N2平行吸附在UO(100)表面穴位为最稳定吸附构型, 吸附能为79.0 kJ·mol-1. Mulliken布居分析显示, N2获得电子. 吸附后, N—N伸缩振动频率发生红移, 波数在1770-2143 cm-1之间. 态密度分析表明, U原子将d、f电子转移至N2的2π轨道. 计算所得解离反应的能垒为266.9 kJ·mol-1.     

H2分子在LaFeO3表面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,通过计算表面能确定La Fe O_3(010)表面为最稳定的吸附表面,研究了H_2分子在La Fe O_3(010)表面的吸附性质。La Fe O_3(010)表面存在La O和Fe O_2两种终止表面,但吸附主要发生在Fe O_2终止表面,由于La Fe O_3(010)表面弛豫的影响,使得凹凸不平的表面层增加了表面原子与H原子的接触面积,表面晶胞的纵向体积增加约2.5%,有利于H原子向晶体内扩散。研究发现,H_2分子在La Fe O_3(010)表面主要存在3种化学吸附方式:第一种吸附发生在O-O桥位,2个H原子分别吸附在2个O原子上,形成2个-OH基,这是最佳吸附位置,此时H原子与表面O原子的作用主要是H1s与O_2p轨道杂化作用的结果,H-O之间为典型的共价键。H_2分子的解离能垒为1.542 e V,说明表面需要一定的热条件,H_2分子才会发生解离吸附;第二种吸附发生在Fe-O桥位,1个H原子吸附在O原子上形成1个-OH基,另一个H原子吸附在Fe原子上形成金属键;第三种吸附发生在O顶位,2个H原子吸附在同一个O原子上,形成H_2O分子,此时H_2O分子与表面形成物理吸附,H_2O分子逃离表面后容易形成氧空位。此外,H_2分子在La Fe O_3(010)表面还可以发生物理吸附。     

H2分子在Li3N(100)表面吸附的第一性原理研究

采用第一性原理方法研究了H₂分子在两种Li₃N(100)晶面的表面吸附情况. 通过研究Li₃N(100)/H₂体系的吸附位置、吸附能和电子结构, 发现H₂分子在Li₃N(100)晶面主要是化学吸附, 但也可以发生物理吸附. 在表面终止原子为Li和N的Li₃N(100)表面, 吸附的最稳定结构中H₂分子被解离, 最终H原子分别趋于两个N原子的顶位, 形成两个NH基, 吸附能为5.157 eV, 属于强化学吸附|此时H₂分子与Li₃N(100)表面的相互作用主要源于H1s轨道与Li₃N表层N原子的2s, 2p轨道重叠杂化的贡献, 且N-H键为共价键. 在表面终止原子为Li的Li₃N(100)表面, 吸附的最稳定结构中H₂分子也被解离, H原子趋于穴位, 吸附能为2.464 eV, 也属于强化学吸附|此时Li和Ｈ之间为较强的离子键相互作用.     

O_2在α-U(001)面吸附的密度泛函理论研究

采用广义梯度密度泛函理论结合周期性平板模型,计算了O2在α-U(001)表面吸附的几何和电子结构,并对H2、O2的吸附特性进行了对比分析。结果表明:O2分子在α-U(001)面上呈强解离化学吸附,吸附能为9.54～10.22eV,O-O距离较大的D+D-II构型最为稳定;吸附后表层U原子向上迁移,同时伴随着褶皱的产生;解离O原子与表面U原子的相互作用主要是离子键合,伴随着较弱的源于U5f/6d-O2p轨道杂化的共价键合;O原子的扩散能垒小于0.3eV,易于在U表面扩散迁移;O2分子在U表面的吸附强度较H2分子要大得多,对U表面结构的影响也更加显著。     

O3分子在CuO(110)面吸附的密度泛函理论研究

应用密度泛函理论研究了O3分子在2×1 CuO(110)面(S1)和掺杂一个Fe原子的2×1 CuO(110)面(S2)的吸附过程和电子特性. 计算结果表明, O3分子与表面S1和S2有很强的相互作用, O3分子在表面吸附反应的活化能和反应能均为负值, 反应很容易进行. 态密度和电荷密度分析结果进一步证实了O3分子在S1上吸附是桥位化学吸附, 形成表面臭氧化物, 在S2上吸附分解为1个被吸附的表面氧原子和1个自由氧分子. 电子特性分析表明, O3分子与S1和S2相互作用的本质是O3分子的价轨道2p与CuO(110)表面杂化轨道的相互作用.     

H2分子在LaFeO3表面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,通过计算表面能确定LaFeO₃(010)表面为最稳定的吸附表面,研究了H₂分子在LaFeO₃(010)表面的吸附性质。LaFeO₃(010)表面存在LaO和FeO₂两种终止表面,但吸附主要发生在FeO₂终止表面,由于LaFeO₃(010)表面弛豫的影响,使得凹凸不平的表面层增加了表面原子与H原子的接触面积,表面晶胞的纵向体积增加约2.5%,有利于H原子向晶体内扩散。研究发现,H₂分子在LaFeO₃(010)表面主要存在3种化学吸附方式:第一种吸附发生在O-O桥位,2个H原子分别吸附在2个O原子上,形成2个-OH基,这是最佳吸附位置,此时H原子与表面O原子的作用主要是H1s与O2p轨道杂化作用的结果,H-O之间为典型的共价键。H₂分子的解离能垒为1.542 eV,说明表面需要一定的热条件,H₂分子才会发生解离吸附;第二种吸附发生在Fe-O桥位,1个H原子吸附在O原子上形成1个-OH基,另一个H原子吸附在Fe原子上形成金属键;第三种吸附发生在O顶位,2个H原子吸附在同一个O原子上,形成H₂O分子,此时H₂O分子与表面形成物理吸附,H₂O分子逃离表面后容易形成氧空位。此外,H₂分子在LaFeO₃(010)表面还可以发生物理吸附。     

H2S在立方ZrO2(110)面的吸附与解离

采用量子化学的密度泛甬理论方法,探讨了H2S、HS和S在立方ZrO2(110)面上不同吸附位的吸附情况.构型优化的结果表明:在bridge位H2S以垂直底物平面H原子向上、垂直底物平面H原子向下、平行底物平面和hollow位H2S平行底物平面模式吸附在ZrO2(110)面发生解离吸附.SH和S的最佳吸附位分别为桥位和顶位.Mulliken布局和态密度分析显示S原子的p轨道与Zr原子的d轨道发生相互作用.通过计算解离反应的能垒,表明H2S分子在立方ZrO2(110)面发生两步解离.     

水在HfO2(111)和(110)表面的吸附与解离

运用广义梯度近似密度泛函理论方法(GGA-PW91)结合周期平板模型, 研究水分子在二氧化铪(111)和(110)表面不同吸附位置在不同覆盖度下的吸附行为. 通过比较不同吸附位的吸附能和几何构型参数发现:(111)和(110)表面铪原子(top 位)是活性吸附位. 水分子与表面的吸附能值随覆盖度的变化影响较小. 在(111)和(110)表面, 水分子都倾向以氧端与表面铪原子相互作用. 同时也计算了羟基、氧和氢在表面的吸附, Mulliken 电荷布居, 态密度及部分频率. 结果表明, 在两种表面羟基以氧端与表面铪相互作用, 氧原子与表面铪和氧原子同时成键, 而氢原子直接与表面氧原子相互作用形成羟基. 通过过渡态搜索, 水分子在(111)和(110)表面发生解离, 反应能垒分别为9.7和17.3 kJ·mol^-1, 且放热为59.9和47.6 kJ·mol^-1.     

First-principles study on the effect of arsenic impurity on oxidation of pyrite surfaces

Arsenic (As) frequently exists in pyrite (FeS₂) in the form of impurities. The oxidation behavior of As in FeS₂ is important in environmental science, mineral processing, and other related fields. The adsorption behaviors of H₂O and O₂ molecules on the As-bearing pyrite (100) surface (As FeS₂(100)) are studied using the density functional theory (DFT). The results show that As prefers the S site on the pyrite (100) surface (FeS₂(100)). In the absence of O₂, an isolated H₂O molecule does not dissociate when adsorbed at an iron (Fe) site and is repelled at an As site. Furthermore, the surface area around the As atoms exhibits a hydrophobic behavior. Adsorption energy analysis reveals that the presence of As atoms is unfavorable for the adsorption of H₂O molecules on the pure FeS₂ surface, and that the adsorption of H₂O molecules on the As FeS₂(100) is physical adsorption. In the absence of H₂O, it is suggested that the O₂ molecule easily dissociates on both the pure FeS₂(100) and As FeS₂(100). The adsorption of O₂ on the As-bearing surface is weaker than that on the pure FeS₂(100). For the co-adsorption of H₂O and O₂, the adsorption energy on the As-bearing surface is more negative than that on the pure surface. This indicates that the presence of As promotes surface oxidation. Additionally, two  OH and O (AsO or SO) or  O (Fe O) species are formed on the surface of pyrite when the H₂O molecule is dissociated.     

Interactions between hydrogenated diamond surface and adsorbates with different concentration of NO2 molecules: A first‐principles study

To elucidate the effects of NO₂ and H₂O molecules on the surface conductivity of hydrogenated diamond film, models of various adsorbates containing different molecular ratio of NO₂ and H₂O on hydrogenated diamond (100) surfaces were constructed. The adsorption energies, equilibrium geometries of adsorbates, density of states, and atomic Mulliken populations were studied by using first‐principles method. The results showed that H₂O molecule in the adsorbate could weaken the interactions between the adsorbates and hydrogenated diamond surface significantly. Compared with H₂O molecule, NO₂ molecule relaxes more dramatically when adsorbed on hydrogenated diamond surface. In addition, density of states for C(100):H–2NO₂, C(100):H–NO₂, and C(100):H–NO₂ + H₂O systems are very similar to each other, which indicates an obvious peak at valence band maximum level for all the three samples. It can be attributed to mainly single occupied molecule orbital of NO₂ molecule and slightly C–H bond of C(100):H substrate. When the adsorbates contain one NO₂ and two H₂O molecules, the peak shifts slightly into valence band, but its intensity increases significantly. All the samples exhibit p‐type surface conductivity when adsorbed with pure NO₂ molecules, and the surface conductivity remains as H₂O molecules added into the NO₂ adsorbate layer. However, for oxygenated diamond surface, very week interactions generate between diamond surface and various adsorbates. All the oxygenated diamond (100) surfaces with various adsorbates containing different NO₂ and H₂O molecules on it exhibit an insulating property.     

H2-induced CO adsorption and dissociation over Co/Al2O3 catalyst

The activation of adsorbed CO is an important step in CO hydrogenation. The results from TPSR of pre-adsorbed CO with H2 and syngas suggested that the presence of H2 increased the amount of CO adsorption and accelerated CO dissociation. The H2 was adsorbed first, and activated to form H＊ over metal sites, then reacted with carbonaceous species. The oxygen species for CO2 formation in the presence of hydrogen was mostly OH^＊, which reacted with adsorbed CO subsequently via CO^＊＋OH^＊ → CO2^＊＋H^＊; however, the direct CO dissociation was not excluded in CO hydrogenation. The dissociation of C-O bond in the presence of H2 proceeded by a concerted mechanism, which assisted the Boudourd reaction of adsorbed CO on the surface via CO^＊＋2H^＊ → CH^＊＋OH^＊. The formation of the surface species （CH） from adsorbed CO proceeded as indicated with the participation of surface hydrogen, was favored in the initial step of the Fischer-Tropsch synthesis.     

苯分子与Si6O18H12和Al6O24H30团簇模型相互作用的理论研究

粘土矿已经被广泛用来去除有机物,修复和净化被石油碳氢化合物污染的土壤和地下水. 我们选择高岭石作为研究对象,构造了Si₆O₁₈H₁₂和Al₆O₂₄H₃₀两个团簇模型分别代表高岭石的硅氧层表面和铝氧层表面,在MP2/6-31G(d,p)//B3LYP/6-31G(d,p)的理论水平上系统地研究了气态下苯分子和高岭石团簇模型的相互作用. 并进一步分析了苯分子和高岭石表面相互作用的各种气态性质,比如：优化的几何构型、结构参数、吸附能、自然键轨道电荷分布、振动频率变化、静电势、电子密度性质(次级氢键的电子密度和拉普拉斯算符值)和电子密度差分等. 优化的几何构型表明苯分子吸附在高岭石表面的本质可能是次级氢键的形成. 其他性质的结果进一步验证了次级氢键的存在,并指出苯更倾向于吸附在高岭石的铝氧层表面,且苯环和铝氧层表面形成近似90°的夹角.     

O2, CO2, and H2O Chemisorption on UN(001) Surface: Density Functional Theory Study

We performed density functional theory calculations of O₂, CO₂, and H₂O chemisorption on the UN(001) surface using the generalized gradient approximation and PW91 exchange-correlation functional at non-spin polarized level with the periodic slab model. Chemisorp-tion energies vs. molecular distance from UN(001) surface were optimized for four sym-metrical chemisorption sites. The results showed that the bridge parallel, hollow parallel and bridge hydrogen-up adsorption sites were the most stable site for O₂, CO₂, and H₂O molecular with chemisorption energies of 14.48, 4.492, and 5.85 kJ/mol, respectively. From the point of adsorbent (the UN(001) surface), interaction of O₂ with the UN(001) surface was of the maximum magnitude, then CO₂ and H₂O, indicating that these interactions were associated with structures of the adsorbate. O2 chemisorption caused N atoms on the surface to migrate into the bulk, however CO₂ and H₂O had a moderate and negligible effect on the surface, respectively. Calculated electronic density of states demonstrated the electronic charge transfer between s, p orbital in chemisorption molecular and U6d, U5f orbital.     

First-principles study of O2 adsorption and dissociation on the CuCr2O4 (100) surface

The adsorption and dissociation of molecular oxygen on spinel CuCr₂O₄ (100) surface were carried out by first-principles calculations based on density functional theory (DFT). The calculated results indicate that the Cr site is most favorable for atomic oxygen adsorption, with an adsorption energy of 402.8 kJ/mol. For molecular oxygen adsorption, there are three types of favorable interaction modes: O₂ forms bonds with the Cu site or O₂ binds to two Cr sites or O₂ interacts with both Cu and Cr sites simultaneously. The lowest activation energy (E_a = 35.4 kJ/mol) was found through exploring possible reaction pathways for O₂ dissociation. The relationship between E_a and reaction enthalpy (ΔH) for O₂ dissociation adsorption reactions fits Brønsted-Evans-Polanyi (BEP) behavior.