Fe元素及点缺陷对焦炭表面NH_3异相吸附的影响:密度泛函理论研究

采用密度泛函理论,并使用具有周期性边界条件的石墨烯模型近似模拟焦炭表面,研究了Fe原子修饰及点缺陷对NH_3在焦炭表面异相吸附的影响。计算结果表明,NH_3分子在点缺陷石墨烯表面的吸附属于物理吸附,结合能为-0.381 e V;NH_3分子吸附在Fe修饰的完整石墨烯表面属于化学吸附,吸附能为-1.442 eV; Fe原子修饰及点缺陷单独存在下NH_3的吸附能均大于NH_3在完整石墨烯表面的吸附(吸附能为-0.190 eV)。此外,Fe原子修饰与点缺陷共存对NH_3的吸附具有协同作用,结合能达到-3.538 eV,明显大于两者单独存在下NH_3的吸附能之和,综合分析Mulliken布居数与态密度,Fe原子与石墨烯表面、NH_3分子之间有更多地电荷转移,可以解释两者共存对NH_3吸附协同促进的原因。     

钠对焦炭非均相还原NO的微观作用机理

基于密度泛函理论研究了钠对焦炭非均相还原NO的微观作用机理。计算结果表明,Na原子可以在焦炭边缘游离,最倾向于吸附在焦炭边缘穴位,释放出174.2 kJ/mol的能量。波函数分析显示,Na原子以强静电吸引的方式与边缘碳原子结合,电子由Na转移到焦炭上。NO以O临近Na原子的方式吸附在焦炭边缘最稳定。Na促进第一个NO分子的吸附,但对第二个NO分子的吸附影响不大。内禀反应坐标计算与Mayer键级分析表明非均相还原通道中Na与O之间经历"结合-分离",通过"氧化-还原"的方式影响反应的进行。N_2分子的化学解吸附步是非均相还原的速控步。采用正则变分过渡态理论进行动力学分析,发现Na对速控步的活化能影响不大,但会增加焦炭上活性位点的数量,加快反应的进行。     

TiO2负载单金属镍（铂）催化剂在甲烷解离反应中抗积碳能力的理论研究

研究碳原子在TiO2(101)负载镍或铂原子上的吸附行为对于阐明积碳问题提供了一个热力学线索.广义梯度近似密度泛函理论的PBE计算结果表明,镍在TiO2表面最稳定构型的吸附能为347.16 kJ/mol,铂对应的最稳定构型的吸附能为315.9 kJ/mol,而且2种金属的最稳定构型均处于TiO2表面2个O2c原子之间的桥位.吸附金属原子后,TiO2的态密度图中各电子峰向低能量方向移动,体系趋于稳定.从态密度图可知,碳的p轨道与金属原子的d轨道发生叠加,说明碳原子与金属原子成键,从而使吸附后Ni或Pt与O原子之间的相互作用减弱.碳原子吸附在Ni/TiO2(101)和Pt/TiO2(101)表面的最佳吸附结构的吸附能分别为474.19和570.08 kJ/mol,说明TiO2负载铂催化剂在甲烷重整反应中抗积碳能力较强.     

苯分子与Rh(111)面相互作用的分子轨道研究

用群分解EHMO法研究了苯在Rh(111)面上的化学吸附和成键性质。以Rh_7原子簇模型模拟Rh(111)表面,得到结合能为41kJ/mol,吸附高度2.60。被吸附的苯分子通过π键和金属原子的d轨道相互作用而受到活化,有利于在(111)表而上的化学反应。     

丙烯腈在Cu(111)面上化学吸附的密度泛函研究及NBO分析

利用密度泛函方法对丙烯腈在Cu(111)面上不同吸附位的吸附状态进行了理论研究. 计算结果表明, 丙烯腈分子通过端位N原子立式吸附在金属铜表面为弱化学吸附, 其中桥位为较佳吸附位, 结合能为-40.16 kJ/mol; 丙烯腈分子和金属铜之间发生了电荷转移, N原子的孤对电子与金属形成σ共价键; 对丙烯腈分子结构变化进行了NBO分析, 解释了丙烯腈分子吸附后被活化的原因.     

Pd(Cu)在MgO(100)表面吸附CO和O2的理论研究

采用固体镶嵌势能模型和DFT/B3LYP方法研究了在Pd/MgO和Cu/MgO表面吸附CO和O₂分子的电子性质. 计算结果表明, 在完美MgO(100)表面Pd原子对CO和O₂的吸附能分别为206.5和84.8 kJ/mol, 因此可知Pd原子更容易吸附CO分子; 而当Pd原子附着于有氧缺陷的MgO表面时, 它对两种分子的吸附都非常弱. 相反, 附着于MgO表面的Cu原子对O₂分子的吸附更为有利, 其吸附能在140～155 kJ/mol之间. 研究结果还表明, 对于双分子吸附体系, 即CO＋CO, CO＋O₂, O₂＋O₂体系, 双分子之间的结合力可减小完美MgO表面上Pd原子与被吸附分子的相互作用, 使吸附能减少了46～96 kJ/mol. 而对于在MgO表面上的Cu原子, 只有O₂＋O₂ 体系使吸附能减少了大约50～71 kJ/mol.     

生物质再燃异相还原NO的分子模拟

基于密度泛函理论和过渡态理论,在分子水平上对焦炭异相还原NO以及碱金属钠的作用机理进行探究。结合单点能的零点能校正以及过渡态的虚频验证,发现钠能够有效促进焦炭对于第一个NO分子的吸附。尽管钠不能改变反应步骤,但可将焦炭异相还原NO决速步的活化能由121.04 kJ/mol降至100.62 kJ/mol;钠的存在使焦炭异相还原NO的指前因子增大且反应速率加快,增加了焦炭边缘的活性位点,强化了焦炭对于NO的异相还原性能。     

基于密度泛函理论的CO2氧化含氮焦炭的机理研究

本研究基于密度泛函理论,选取简化的含吡咯氮（N-5）或吡啶氮（N-6）焦炭模型,在分子水平上对CO₂氧化含氮焦炭的异相反应机理进行研究。结构优化采用B3LYP-D3/6-31G（d）方法,单点能计算采用B3LYP-D3/def2-TZVP方法。计算结果表明,CO₂氧化含氮焦炭过程分为CO₂吸附、CO脱附和NO脱附三个阶段。CO₂异相氧化含吡咯氮焦炭的反应中,CO₂分子倾向于以C-O-down模式（N-O结合、C-C结合）吸附形成含氮和氧的五元杂环结构。然后五元环中原CO₂分子的C-O键断裂形成表面羰基和表面氮氧结构,分别解吸附出CO和NO。该反应吸热401.2 kJ/mol,决速步能垒为197.6 kJ/mol。CO₂异相氧化含吡啶氮焦炭的反应中,CO₂分子以C-O-down和C-C结合、C-O结合模式吸附后倾向于先形成含氮和氧的六元杂环,再发生CO和NO分子的脱附。该反应吸收598.6 kJ/mol的热量,决速...     

石墨烯中的单空位缺陷对铂原子催化解离氧分子的影响

采用密度泛函理论中的B3LYP方法研究了石墨烯中的单空位缺陷对铂原子(Pt)催化解离O_2分子的影响.计算发现O_2分子首先通过[2+1]或[2+2]环加成作用吸附在以单空位缺陷石墨烯为载体的Pt上(Pt-SV),并以不同的路径进行解离,吸附能分别为-158.23和-152.45kJ/mol.由于石墨烯片上单空位缺陷的存在,O_2分子更容易吸附在单空位缺陷处的Pt上,并且O_2在Pt-SV上解离的能垒(130.25kJ/mol)也明显比在Pt-pristine上解离的能垒低(76.23kJ/mol).因此石墨烯上单空位缺陷的存在提高增加了Pt的催化能力.     

焦炭催化CO还原NO的反应机理研究

利用密度泛函理论,研究了焦炭催化作用下CO还原NO的化学反应机理,优化得到了均相反应路径以及在Zigzag和Armchair型焦炭表面上的异相反应路径中所有驻点的几何构型与能量,并对三条反应路径进行了动力学分析。结果表明,均相NO还原反应的活化能为254.06 kJ/mol,而Zigzag型与Armchair型焦炭表面NO异相还原反应的活化能分别为86.94与52.16 kJ/mol,说明焦炭在NO还原反应中能够起到催化作用。在焦炭表面进行的CO还原NO的反应路径经历N_2形成、N_2释放及两步CO_2释放四个阶段,最终生成一个N_2分子与两个CO_2分子。此外,通过对比不同路径下异相反应的能量变化与动力学参数可知,焦炭表面结构对NO还原反应特性存在较大影响;与Zigzag型焦炭表面相比,基于Armchair型焦炭表面的NO还原反应决速步能垒值更低且反应速率更快,表明在Armchair型焦炭表面上的NO还原反应更易进行。     

钙对焦炭非均相还原NO的微观作用机理:DFT研究

基于密度泛函理论、结合电子结构分析和Mayer键级变化研究了钙对焦炭非均相还原NO的微观作用机理。对焦炭模型进行电子定域化函数和静电势极值点分析发现,焦炭边缘未饱和的碳原子周边表现出高的电子定域性,体系静电势最小值为-101.1 k J/mol,边缘碳活性位存在孤对电子。钙的添加可促进第一个NO分子在焦炭边缘的吸附,但对第二个NO分子的吸附影响不大。钙的添加不改变NO在焦炭边缘的非均相还原反应路径,但可将决速步的活化能由124.4 k J/mol降至91.9 k J/mol。动力学分析发现添加钙后,非均相还原反应的指前因子增大,焦炭边缘的活化位点增多,有利于加快NO非均相还原反应的进行。     

煤焦催化HCN还原NO的反应机理

通过量子化学密度泛函理论研究了均相和煤焦催化的HCN还原NO反应机理,计算了反应动力学参数。结果表明,均相还原反应的活化能为306 kJ/mol,而煤焦催化的NO还原反应的活化能为136 kJ/mol。典型再燃温度1 400 K下,HCN异相还原NO的反应速率略小于煤焦异相还原NO的反应速率;HCN参与下的煤焦异相还原NO反应较CO参与下的煤焦异相促还原NO反应更易发生。各组分的吸附顺序对HCN异相还原NO的反应有明显的影响;在典型再燃温度下,NO先吸附时煤焦表面的异相还原反应速率常数为5.28×10~(10),比HCN先吸附时最快反应路径的反应速率常数大一个数量级。煤焦对NO还原具有显著的催化作用;煤焦表面作为NO的还原反应位点,对反应气体具有明显的活化作用。     

含酮基团对煤焦异相还原NO的影响

基于量子化学密度泛函理论和过渡态理论研究了含酮基团对煤焦异相还原NO的影响及其产物发生氧脱附的微观反应机理。计算结果表明，NO更易于吸附在含酮基团煤焦表面。椅形含酮基团强化了煤焦异相还原NO；锯齿形含酮煤焦表面与NO异相反应决速步能垒值（495.45 kJ/mol）大于锯齿形纯碳基煤焦表面与NO决速步能垒值（331.32 kJ/mol），基于锯齿形含酮煤焦模型中的氧浓度不在利于NO还原的范围内而不易于NO的还原。中间产物P1在无CO存在情况下，较纯碳基煤焦表面更易于发生氧脱附而产生表面缺陷；在CO存在条件下，含酮煤焦表面为氧脱附过程提供自由活性位点，降低了过程能垒消耗。     

DFT quantum-chemical calculations of nitrogen oxide chemisorption and reactivity on the Cu(100) surface

A DFT quantum-chemical study of NO adsorption and reactivity on the Cu₂₀ and Cu₁₆ metal clusters showed that only the molecular form of NO is stabilized on the copper surface. The heat of monomolecular adsorption was calculated to be ΔH _m = ?49.9 kJ/mol, while dissociative adsorption of NO is energetically unfavorable, ΔH _d = + 15.7 kJ/mol, and dissociation demands a very high activation energy, E _a = + 125.4 kJ/mol. Because of the absence of NO dissociation on the copper surface, the formation mechanism of the reduction products, N₂ and N₂O, is debatable since the surface reaction ultimately leads to N-O bond cleavage. As the reaction occurs with a very low activation energy, E _a = 7.3 kJ/mol, interpretation of the NO direct reduction mechanism is both an important and intriguing problem because the binding energy in the NO molecule is high (630 kJ/mol) and the experimental studies revealed only physically adsorbed forms on the copper surface. It was found that the formation mechanism of the N₂ and N₂O reduction products involves formation (on the copper surface) of the (O_adN-NO_ad) dimer intermediate that is chemisorbed via the oxygen atoms and characterized by a stable N-N bond (r _N-N ～1.3 Å). The N-N binding between the adsorbed NO molecules occurs through electron-accepting interaction between the oxygen atoms in NO and the metal atoms on the “defective” copper surface. The electronic structure of the (O_adN-NO_ad) surface dimer is characterized by excess electron density (ON-NO)^δ? and high reactivity in N-O_ad bond dissociation. The calculated activation energy of the destruction of the chemisorbed intermediate (O_adN-NO_ad) is very low (E _a = 5–10 kJ/mol), which shows that it is kinetically unstable against the instantaneous release of the N₂ and N₂O reduction products into the gas phase and cannot be identified by modern experimental methods of metal surface studies. At the same time, on the MgO surface and in the individual (Ph₃P)₂Pt(O₂N₂) complex, a stable (O_adN-NO_ad) dimer was revealed experimentally.     

DOPA醌在Cu（100）表面吸附的密度泛函理论研究

采用广义梯度密度泛函理论(GGA)的BLYP方法结合周期性平板模型,以原子簇Cu41为模拟表面,对DOPA醌分子在Cu(100)表面不同位置的吸附模型进行了构型优化、能量计算以及Mulliken布居分析,结果表明通过相邻的羰基垂直吸附在表面的桥位是其最佳吸附方式,吸附能为247.2310kJ/mol;其次为顶位、顶位R45和穴位,吸附能分别为227.7162kJ/mol、220.7305kJ/mol和217.8456kJ/mol。Mulliken布居分析结果表明整个吸附体系发生了由Cu原子向DOPA醌分子的电荷转移。     

Hydrogen adsorption on nickel (100) single-crystal face. A Monte Carlo study of the equilibrium and kinetics

We propose a model of the dissociative adsorption of hydrogen on nickel single-crystal face. In this model, we treat the Ni(100) surface as a strongly correlated energetically heterogeneous surface, because the density functional theory (DFT) studies indicate that hydrogen atoms may adsorb either on hollow sites (energetically more favorable, binding energy 48 kJ/mol H) or bridge sites with the binding energy less by 11 kJ/mol H. The essential assumption of the proposed model is that the dissociation of the hydrogen molecule is possible only over the topmost Ni atom, and the resulting H atoms may adsorb either on two free hollow sites (but the adjacent bridge sites must be free) or two bridge sites (the adjacent hollow sites must be free). If the above condition is not fulfilled, then the dissociation and adsorption are impossible. The second assumption is that the rate (probability) of the associative desorption is limited by the rate of diffusion of H atoms on the surface. This is because the two H atoms desorb, giving an H2 molecule, only when they meet on two adjacent hollow-bridge sites. Our model recovers very well the behavior of the experimental equilibrium adsorption isotherms as well as kinetic isotherms. As a result, we stated that hydrogen atoms are not completely free on the surface, but they cannot also be considered localized at room and elevated temperatures. Additionally, while analyzing the kinetic adsorption isotherms, we stated that the rate-limiting step during the dissociative adsorption of H2 is the disintegration of the activated complex and the subsequent adsorption of hydrogen atoms.