钙元素对焦炭表面NO吸附行为的影响:密度泛函理论研究

采用密度泛函理论研究了Ca元素对焦炭表面NO吸附行为的影响。使用周期性石墨烯模型近似模拟实际焦炭表面的石墨化结构,并在石墨烯表面装饰Ca原子(按质量计Ca原子覆盖率为13.3%),考察了Ca元素对焦炭表面NO吸附的催化作用。计算结果表明,NO分子在纯净石墨烯表面的吸附属于物理吸附,结合能仅为-19.34 kJ/mol;石墨烯表面掺入Ca原子后,由于Ca原子4s轨道和3d轨道的电子转移到NO分子,结合能显著提高至-206.02 kJ/mol。     

Sc,Ti,V修饰B/N掺杂单缺陷石墨烯的储氢研究

3d过渡金属修饰是改善石墨烯储氢性能的最有效途径, 但仍存在金属团聚和H₂解离导致难以脱附的问题. 提出了B/N掺杂单缺陷石墨烯(BMG/NMG)的策略来避免以上两个问题. 密度泛函理论计算结果表明, N掺杂可以使Sc, Ti, V与石墨烯的结合能提高3~4倍, B掺杂可以将Sc与石墨烯的结合能提高3倍. Sc/BMG和Sc/NMG吸附的第一个H₂不会解离. Sc/BMG中Sc吸附5个H₂, 平均氢分子结合能为-0.18～-0.43 eV, 并且可以通过在同侧锚定多个Sc原子形成Sc/C₃B₂五元环增加H₂吸附位点. Sc/NMG中每个Sc吸附6个H₂, 平均氢分子结合能为-0.17～-0.29 eV, 还可以通过在异侧修饰形成Sc/N₃/Sc单元进一步提高储氢能力. 研究结果将为设计基于3d过渡金属修饰碳材料的储氢材料提供理论基础.     

铜族金属与完整及氮掺杂石墨烯的相互作用

基于广义梯度密度泛函理论和周期平板模型,研究了铜族金属单原子和双原子簇与完整及氮掺杂石墨烯的结合情况.结果表明,氮掺杂后石墨烯的电子结构特性由半金属性变为金属性;铜族金属在完整及石墨型氮掺杂石墨烯上的吸附较弱,结合能约为0.5eV,而在吡啶型氮掺杂和吡咯型氮掺杂石墨烯上有较强的化学吸附,结合能一般大于1eV;吡咯型氮掺杂后的构型不稳定,金属原子及簇与包含该结构的石墨烯衬底作用时会使其向吡啶型氮掺杂转变,并最终得到基于吡啶型氮掺杂的稳定吸附构型.Mulliken电荷布居分析显示,吸附在吡啶型氮掺杂石墨烯上的金属单原子与金属双原子簇带电性质相反.态密度及轨道分析表明,Cu与吡啶型氮掺杂石墨烯空位处留有悬挂键的三个原子成键,而Au与其中两个C原子成键.     

石墨烯中的Stone-wales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UB3LYP方法,研究了石墨烯中的Stone-wales缺陷对铂原子催化解离氧气分子的影响.通过计算发现,氧气分子在以Stone-wales缺陷石墨烯片为载体的铂上(Pt-SW)形成3种吸附结构,通过4条路径,最终生成两种产物.氧气分子最易通过[2+1]环加成作用,吸附在以Stone-wales缺陷石墨烯片为载体的Pt的表面上,吸附能(Eads)为-0.64eV.由于石墨烯片上的Stone-wales缺陷的存在,氧气分子在Pt-SW上解离的4条路径中最有利的解离路径中的决速步能垒都明显高于氧气在以完美石墨烯为载体的Pt(Pt/Graphene)上解离的能垒(1.51eV vs 1.35eV),相应吸收的热量也高于在Pt/Graphene上吸收的热量(0.79eVvs0.15eV).     

钇对石墨烯储氢性能的影响

应用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究过渡金属钇（Y）修饰对石墨烯储氢性能的影响。考虑Y原子在石墨烯上易形成团簇,采用B原子掺杂有效阻止了团簇形成。通过模拟计算得到的改性体系稳定、储氢性能优异,可吸附6个H₂分子,平均吸附能范围为-0.539到-0.655 eV （per H₂）,理论上满足理想的氢吸附能范围。经Bader电荷初步计算和基于Y/B/graphene （G）体系吸附H₂分子的电子态密度及电荷差分密度图分析得,Y原子与石墨烯间通过电荷转移产生结合,与H₂分子则发生典型的Kubas型相互作用。Y原子改变了H₂分子与石墨烯基的电荷分布,成为连接两者电子云的桥梁,从而增强了H₂分子的吸附能。改性石墨烯体系吸附的均为氢分子,有利于在环境温度和压力条件下进行循环控制,是具有良好发展前景的储氢材料之一。     

氧化铜表面臭氧分解路径及表面氧物种生成机理研究

基于密度泛函理论（DFT）计算研究了O3在完整和具有氧空位的CuO(111)表面吸附的吸附位、吸附结构、吸附能和电子转移情况,比较了O3在完整表面和具有氧空位的表面分解的路径和能垒,分析了氧空位和表面吸附氧的生成机理。结果表明,在完整CuO表面,O3分子通过化学吸附或物理吸附表面结合,吸附能最高为-1.22eV（构型bri(2)）。O3在具有氧空位的CuO表面均为化学吸附,吸附能最高为-2.95eV（构型ovbri(3)）,显著高于完整表面的吸附能。O3吸附后,Cu吸附位的电荷密度减小,O3中的O原子附近的电荷密度显著增强,电荷从CuO表面转移到O3,并形成Cu-O离子键。O3分解后形成了超氧物种,提高了表面的氧化活性。在完整表面,以构型bri(2)为起始构型的路径反应能垒最低,为0.52eV;O2*在完整表面的脱附所需要的最低能量为0.42eV,形成氧空位的O2*脱附能为2.06eV。在具有氧空位的表面,O3分解的反应能垒为0.30eV（构型ovbri(1)）和0.12eV（构型ovbri(3)）,均低于完整表面的反应能垒;分解形成的O2*的最低脱附能也低于完整表面,为0.27eV。可见,氧空位的形成提高了吸附能,降低了反应能垒,使O3分子更容易吸附在CuO表面,并加快了O3的催化分解。     

甲硫醇在Cu(111)表面的解离吸附: 密度泛函理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法和平板模型研究了CH₃SH分子在Cu(111)表面的吸附反应.系统地计算了S原子在不同位置以不同方式吸附的一系列构型, 第一次得到未解离的CH₃SH分子在Cu(111)表面顶位上的稳定吸附构型,该构型吸附属于弱的化学吸附, 吸附能为0.39 eV. 计算同时发现在热力学上解离结构比未解离结构更加稳定. 解离的CH₃S吸附在桥位和中空位之间, 吸附能为0.75-0.77 eV. 计算分析了未解离吸附到解离吸附的两条反应路径, 最小能量路径的能垒为0.57 eV. 计算结果还表明S―H键断裂后的H原子并不是以H₂分子的形式从表面解吸附而是以与表面成键的形式存在. 通过比较S原子在独立的CH₃SH分子和吸附状态下的局域态密度, 发现S―H键断裂后S原子和表面的键合强于未断裂时S原子和表面的键合.     

尿素在ZnO(1010)表面的吸附

运用VASP(Vienna ab-initio simulation package),采用基于密度泛函理论(DFT)的第一原理计算,研究了尿素在ZnO(101軈0)表面的吸附行为.计算结果表明:尿素分子在ZnO(101軈0)表面主要发生分子吸附,稳定的吸附产物通过尿素分子中的氮原子或氧原子与表面锌原子之间的键合作用而形成,吸附能分别为-1.48和-1.41eV;表面吸附的尿素分子也可以发生解离,生成表面吸附的异氰酸根、氨气和一个表面羟基,吸附能为-1.66eV.     

内掺Sc原子的扩展三明治结构graphene-Sc-graphene的几何结构,电子性质和储氢性能研究

使用密度泛函理论中的广义梯度近似对内掺Sc原子的graphene-Sc-graphene扩展三明治结构的几何结构、电子结构和储氢性能进行计算研究. 计算发现: Sc原子位于单层石墨烯中六元环上方的结构具有较大的结合能, 但小于固体Sc的内聚能实验值(3.90 eV), 然而, 当单个Sc原子或者多个Sc原子在双层石墨烯中间与底层相距2 Å时, Sc原子与基底的结合能增加到5 eV以上, 远远大于固体Sc的内聚能实验值(3.90 eV), 因此相邻的Sc原子可以有效避免成簇. 由此可见, 三明治结构的形成明显增加了Sc原子与基底的结合强度, 该结构可以进一步储氢来满足18电子规则而更加稳定, 从而成为理想的新型储氢纳米材料. 扩展三明治结构graphene-Sc-graphene的(2×3)单元中每个Sc原子最多可以吸附2个H₂分子, 对H₂的平均吸附能分别为0.67 eV和0.54 eV, 介于物理吸附和化学吸附(0.1～0.8 eV)之间, 因此该体系可以实现常温常压下对H₂的可逆吸附. 由储氢机制分析可知: 扩展三明治结构graphene-Sc-graphene主要通过Dewar-Kubas作用进行储氢, 形成了π-δ-π型的电子结构.     

Cu单原子修饰对Fe(111)表面CO吸附性能及电子性质调变的第一性原理研究

采用密度泛函理论方法研究了Cu单原子修饰对Fe(111)表面CO吸附性能和电子性质的调变作用,其中,Cu单原子修饰研究了吸附和取代两种方式。结果表明,CO在Cu修饰的Fe(111)面吸附能力都会变弱,一是Cu原子自身提供的位点对CO的吸附较弱;二是Cu会使其附近的Fe对CO的吸附变弱。分析电子性质表明,Cu作用于Fe表面后,会导致Cu附近Fe原子部分电子向Cu原子转移,进而削弱了Fe与吸附分子间电子交互作用而改变Fe原子的吸附能力。故Cu原子改性Fe表面可以很好地调变CO的吸附、解离及后续反应催化活性,这为进一步探究Cu改性Fe表面的合成气催化反应机理提供了基础信息。     

钛改性对γ-Fe2O3选择催化还原脱硝性能强化机制的分子模拟研究

采用密度泛函理论（DFT）研究了典型过渡金属Ti掺杂改性对γ-Fe₂O₃选择催化还原（NH₃-SCR）脱硝性能强化影响的作用机制。构建了单Ti和双Ti在γ-Fe₂O₃（001）表面的不同Fe位置的掺杂模型，计算了表面掺杂形成能，探讨了O₂、NO和NH₃分子在Ti掺杂前后的γ-Fe₂O₃（001）表面的吸附特性，并进行了反应机理分析。结果表明，单Ti倾向于掺杂在八面体Fe_oct位，双Ti倾向于两个Fe_oct位。Ti的掺杂增强了催化剂表面对O₂的吸附能力，吸附性能随Ti掺杂量增加而增强。单Ti和双Ti的掺杂都抑制了NO以N端在催化剂表面的吸附。Ti能够强化NH₃的吸附，增强了Lewis酸位，有利于SCR反应。Ti的掺杂增大了NO₂生成的反应能垒，降低了γ-Fe₂O₃低温区的SCR反应。Ti的掺杂抑制了NH和N的形成，避免了NH₃的过度氧化，提高NH₃的利用率，有利于SCR反应，并且抑制了通过E-R机理产生的N₂O，具有良好的N₂选择性。Ti的掺杂能够改善γ-Fe₂O₃在NH₃-SCR中还原NO的性能。     

通过g-C3N4担载MNi12 (Fe,Co, Cu,Zn)纳米团簇调节甲烷化

As a unique two-dimensional material, graphitic carbon nitride (g-C₃N₄) has received significant attention for its particular electronic structure and chemical performance. Its instinctive defect can provide a stable anchoring site for metals, potentially improving the surface reactivity. Ni-based catalysts are economical but their activity for CO₂ methanation is lower than that of noble metal catalysts. Ni nanoparticles (NPs) supported on a substrate can further enhance the stability and activity of catalysts. Based on the principles of strong metal-support interaction (SMSI) and the synergistic effect on an alloy, MNi₁₂/g-C₃N₄ composites as novel catalysts are expected to improve stability and catalytic performance of Ni-based catalysts. The configurations are established with core-shell structures of MNi₁₂ (M = Fe, Co, Cu, Zn) nanoparticles (NPs) supported on g-C₃N₄ in this work. In the CO₂ methanation reaction, the reactivity of CO on slab (E_CO) is a critical factor, which is relative to the catalytic activity. Thus, the catalytic reactivity of these complexes via CO adsorption were explored using density functional theory (DFT). The values of cohesive energy (E_coh) for MNi₁₂ NPs range from -39.90 eV to -34.82 eV, suggesting that the formation of these NPs is favored as per thermodynamics, and E_coh and partial density of state (PDOS) reveal that the central M atom with the less filled d-shell interacts more strongly with surface Ni atoms. Therefore, ZnNi₁₂ is the most unstable structure among all the studied alloy, and the synergistic effect is also the weakest among them. When MNi₁₂ NPs are supported on the g-C₃N₄ substrate, the binding energies (E_b) vary from -9.40 eV to -8.39 eV, indicating that g-C₃N₄ is indeed a good material for stabilizing these NPs. The PDOS analysis of pure g-C₃N₄ suggests the sp² dangling bonds of N atoms in g-C₃N₄ can stabilize these transition metal NPs. Furthermore, the results of CO adsorbed on MNi₁₂ NPs and MNi₁₂/g-C₃N₄ composites show that E_CO and d_CO reduced with the introduction of g-C₃N₄. According to the results of the analysis of the Hirshfeld charges and electrostatic potential (ESP), the reason is that CO obtains less electrons from MNi₁₂ NPs after deposition on the g-C₃N₄ substrate, which lowers the reactivity of CO on catalysts. Additionally, the deformation charge density is analyzed to investigate the interaction between the NPs and g-C₃N₄. With the introduction of g-C₃N₄, charge redistribution indicates the strong metal-support interaction, which further reduces the CO adsorption energy. In summary, MNi₁₂ supported on g-C₃N₄ exhibit not only high stability but also tunable reactivity in CO₂ methanation. These changes are beneficial for CO₂ methanation reaction.     

二维金属-六亚氨基苯框架材料的气体吸附效应

利用密度泛函理论研究了气体分子(NH₃, H₂O, H₂S, NO₂)吸附在二维M₃(HIB)₂(M=Ni, Cu; HIB为六亚氨基苯)薄膜上体系的几何结构和电子结构的变化. 结果表明, 2种薄膜对气体分子的响应不同. 其中NH₃, H₂O和H₂S在M₃(HIB)₂薄膜表面的吸附较弱, 主要与薄膜的亚氨基形成氢键, 吸附能均小于-0.36 eV, 吸附对体系电子性质的影响很小. 但是 NO₂分子在薄膜表面形成化学吸附, 吸附能在-0.65~-1.72 eV范围内. 吸附NO₂分子使其电子结构发生明显改变, 如Cu₃(HIB)₂在费米能级处打开带隙, 由金属性质转变为半导体性质. 这是由于NO₂分子的p_z轨道与金属原子$d_{z}^{2}$ 轨道发生了强烈的轨道杂化. 此外, 研究发现高浓度的NO₂分子吸附能够使Ni₃(HIB)₂薄膜由非磁性变为磁性体系, 由普通金属性质变为半金属性质; 而高浓度的NO₂分子使Cu₃(HIB)₂薄膜由金属性质变为半导体性质, 薄膜电导率降低.     

Mo/Fe3O4(111)表面对燃煤烟气汞吸附的密度泛函研究

利用CASTEP软件包采用密度泛函理论计算研究了过渡金属Mo掺杂Fe_3O_4(111)Fe_(tet)表面对Hg~0、HgCl和HgCl_2的吸附特征,分析了Mo掺杂前后Fe_3O_4(111)Fe_(tet)表面上不同汞物种的吸附形态。结果表明,Mo掺杂Fe_3O_4(111)Fe_(tet)表面对HgCl和HgCl_2为化学吸附,而对Hg~0的吸附为物理吸附;与纯净表面相比,HgCl在Mo原子掺杂表面上的吸附能提高了40%-66%。HgCl_2在纯净Fe_3O_4(111)Fe_(tet)表面形成"M"形结构;而掺杂Mo原子后,由于Cl原子与Mo原子之间更强的相互作用,使得HgCl_2发生了完全解离,两个Cl原子分别与Mo原子和Fe原子成键吸附在表面,Hg脱附。相关研究结果可为脱除燃煤烟气中的汞提供一定的理论指导。     

基于密度泛函理论的燃煤飞灰未燃尽碳与烟气砷作用机理

基于密度泛函理论研究了燃煤飞灰中未燃尽碳（unburned carbon， UBC）组分对气态单质砷As及其氧化物AsO、AsO₂和As₂O₃的作用机理。结果表明，单质砷优先吸附于碳桥位，吸附能在（-5.95）-（-5.88） eV。AsO分子中的砷、氧原子分别与碳原子成键时，吸附构型最稳定，吸附能最低为-7.87 eV。当AsO₂在未燃尽碳表面解离形成一个AsO和表面活性氧时，体系最稳定，吸附能为-10.65 eV。当三角双锥As₂O₃分子以两个氧原子首先碰撞未燃尽碳表面时，将解离形成AsO和AsO₂小分子，并分别与表面碳成键，此时体系吸附能相较于未解离情形而言显著降低，达到-10.64 eV。飞灰未燃尽碳与AsO或AsO₂小分子的结合较紧密，局部倾向于形成特殊的五元环结构。毒性最强的三价态砷As₂O₃，相较于As、AsO和AsO₂而言，化学性质稳定，不易发生吸附。将其催化裂解为AsO、AsO₂小分子，有望成为可行的燃煤电厂烟气砷污染控制措施。     

密度泛函理论研究Al在丝光沸石骨架中的取代位置和NH3的吸附

采用色散校正密度泛函方法（DFT-D2）计算了Al同晶取代进入H-[Al]MOR丝光沸石骨架中可能的位置及其对NH₃分子吸附表征Brönsted酸性。热力学上,Al优先取代位是T2O5位,接着是T4O2、T1O7和T3O1位,能量差仅在0.03~0.07 eV,表明Al可能分布在四种非等价晶体T位。同时,电荷平衡质子的位置影响Al取代位的稳定性,数据表明电荷平衡质子与O5位结合的可能性最大。另外,用DFT和 DFT-D2方法计算了NH₃分子在每一个Al取代的T位的吸附能,通过比较,DFT低估了NH₃吸附能0.41 eV,表明色散校正DFT-D2方法对于NH₃吸附是很有必要的,T2O5位的Brönsted酸性最强。     

Ionization of the ammonia dimer: Proton transfer in the ionic state

The adiabatic (I_a) and the vertical (I_v) ionization energy of the ammonia dimer as well as the appearance energies of NH⁺₄ and (NH₃)⁺₂ have been obtained from ab initio potential energy surface calculations. The comparison with the experimental result leads to the following conclusions: (1) the real I_a of (NH₃)₂ is not observed in the experiment due to the unfavorable Franck—Condon factor of the equilibrium dimer cation which has the structure of H₃NH⁺ …NH₂. (2) The value of I_a is estimated to be about 8.6 eV, almost 1 eV lower than the AE of (NH₃)⁺₂. (3) Consequently, the two kinds of dissociation energy of the dimer cation into NH₃ + NH⁺₃ and NH⁺₄ + NH₂, respectively, are about 1 eV larger than the “experimental” estimate from the apparent AE values. The present interpretation solves the question of the large discrepancy in the dissociation energies of the ammonia dimer cation.     

Adsorption of Nin (n=1 -4) clusters on perfect and O-defective CuAl2O4 surfaces: A DFT study

The adsorption energies for single Ni atom on CuAl₂O₄(100) and (110) surfaces are 5.30 and 4.08 eV, respectively. The growth and aggregation of Ni can be effectively inhibited on the perfect CuAl₂O₄(100) surface. The adsorption of Ni on the spinel surface is accompanied by charge transfer. The interaction of Ni with CuAl₂O₄ surface is stronger than with the γ-Al₂O₃(110) surface.