CO和O2分子与TiO2(110)表面负载Pt单原子的相互作用

Pt单原子在低温CO氧化反应中具有很高的催化活性. 利用扫描隧道显微术与密度泛函理论，研究了Pt单原子在还原性TiO₂(110)表面的吸附行为及其与CO和O₂分子的相互作用. 研究发现在80 K低温下，TiO₂表面的氧空位缺陷是Pt单原子的最优吸附位. 将CO和O₂分子分别通入Pt单原子吸附后的TiO₂表面，研究相应的吸附构型. 实验表明在低覆盖度下，单个Pt原子会俘获一个CO分子，CO分子同时与表面次近邻的五配位Ti原子(Ti_5c)成键，进而形成非对称的Pt-CO 复合物构型. 将样品从80 K升温到100 K后，TiO₂表面的CO分子会迁移到Pt-CO处形成Pt-(CO)₂的复合结构. 对于O₂分子，单个Pt原子同样会吸附一个O₂分子，O₂分子也会与最近邻或次近邻的Ti_5c原子成键形成两种Pt-O₂构型. 这些结果在单分子尺度上揭示了CO和O₂与Pt单原子的相互作用，呈现了CO与O₂反应中的初始状态.     

W_(20)O_(58)(010)表面氢吸附机理的第一性原理研究

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,在广义梯度近似下,研究了W_(20)O_(58)晶胞、W_(20)O_(58)(010)表面结构及其氢吸附机理.计算结果表明:W_(20)O_(58)晶体理论带隙宽度为0.8 eV,为间接带隙,具有金属性.W_(20)O_(58)晶体中W—O共振较强,以共价键居多.W_(20)O_(58)(010)表面有WO终止(010)表面和O终止(010)表面,表面结构优化后使得W—O键长和W—O—W键角改变,从而实现表面弛豫.分别计算了H_2分子吸附在WO终止(001)表面和O终止(001)表面的WO-L-O_(1c),WO-V-O_(1c),WO-L-O_(2c),WO-V-O_(2c),O-L-O_(1c)和O-V-O_(1c)六种吸附构型,其中WO-L-O_(1c),WO-V-O_(1c)和WO-L-O_(2c)这三种吸附构型不稳定;而WO-V-O_(2c),O-L-O_(1c)和O-V-O_(1c)这三种吸附构型都很稳定,H_2分子都解离成两个H原子,吸附能均为负值,分别为-1.164,-1.021和-3.11 eV.WO-V-O_(2c)吸附构型的两个H原子分别吸附在O和W原子上;O-L-O_(1c)吸附构型的两个H原子,一个与O原子成键,另一个远离了表面.其中O-V-O_(1c)吸附构型最稳定,两个H原子失去电子,为O原子提供电子.分析其吸附前后的态密度,H的1s轨道电子与O的2p,2s轨道电子相互作用,均形成了一些较强的成键电子峰,两个H原子分别与O_(1c)形成化学键,最终吸附反应生成了一个H_2O分子,同时产生了一个表面氧空位.     

ThTiO_4~(-/0),Th_2TiO_6~(-/0)和ThTi_2O_6~(-/0)的电子结构和化学成键的密度泛函理论研究

本文采用B3LYP密度泛函理论方法,探究双核、三核掺杂钍氧簇体系ThTiO_4~(-/0)、Th_2TiO_6~(-/0)和ThTi_2O_6~(-/0)的几何构型、电子结构和化学成键等规律,并与等价电子体(TiO_2)-/0n(n=2,3)进行对比,研究掺杂效应对于掺杂体系的结构和成键等性质的影响.结果表明:掺杂钍氧簇与其等价电子体(TiO_2)-/0n(n=2,3)具有类似的键连方式.ThTiO_4~-中单电子占据的位置与Ti2O-4中单电子的所处位置类似,都是被两个金属原子共用,而Th_2 TiO_6~-,Th Ti_2O_6~-以及Ti_3O_6~-中的单电子均处于那个不含端氧的金属原子上.     

温度对GaN(0001)表面生长吸附SrO、BaO和TiO_2影响的理论研究

采用基于第一性原理的从头计算分子动力学方法,模拟了300、400、500、600和700℃下SrO、BaO和TiO_2分子在GaN(0001)表面吸附的动力学过程,研究了温度对原子运动轨迹、吸附能、界面电荷分布、稳定吸附方位和扩散系数的影响.温度不同,O-Ga成键时间不同,SrO分子中的O原子与GaN基底成键的Ga原子不同; TiO_2分子中O原子与GaN表面Ga原子成键的顺序也不同.温度对SrO、BaO和TiO_2分子在GaN(0001)表面的最终吸附形态和吸附方位有显著的影响.温度对不同吸附体系吸附能的影响也不相同;小分子在GaN(0001)基片表面优先吸附的顺序依次为TiO_2、SrO和BaO分子.数据分析显示SrO和BaO分子的最优生长温度是600℃,TiO_2分子的最优生长温度是500℃.     

臭氧修饰(001)晶面TiO_2纳米片及其光催化降解甲苯研究（英文）

本文系统研究了臭氧修饰对(001)主导晶面锐钛矿型TiO_2光催化剂降解甲苯性能的影响.利用自行搭建的光催化VOCs降解装置对催化剂光降解甲苯的性能进行了测试.通过多种表征手段,结合原位DRIFTS和DFT计算研究了臭氧表面修饰及甲苯吸附和降解机理.结果表明,用臭氧进行表面修饰可以显著提高(001)主导晶面TiO_2光催化降解甲苯的性能.(001)晶面上丰富的5c-Ti不饱和配位是臭氧分子的吸附位点,其解离后形成的Ti-O键与H_2O分子结合,在表面生成大量孤立的Ti_(5c)-OH.Ti_(5c)-OH是甲苯分子的吸附位,它的形成显著提高了对甲苯分子的吸附能力.在光照下Ti_(5c)-OH与光生空穴结合能形成·OH自由基.通过臭氧解离产生的O_2也可以与光生电子结合形成超氧自由基.这些具有强氧化性活性自由基的形成促进了对气相甲苯的光催化降解速率.     

第一性原理研究O_2和H_2O 在ZnO ■表面上的吸附行为

运用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法研究了O_2和H_2O单分子在ZnO■表面上的吸附行为.吸附位点主要考虑了表面的Zn顶位和Zn桥位,同时也考虑了其它可能的吸附行为.对于O_2在ZnO■表面上的吸附设计了9个模型,H_2O在ZnO■表面上的吸附设计了12个模型.通过形成能计算发现,O_2在表面上的吸附为正值,H_2O的吸附为负值.O_2和H_2O单分子在表面上发生分子吸附,未见解离形态.对于O_2吸附最稳定的结构是O_2分子与表面相邻的Zn原子形成了Zn_(slab1)-O_(ads1)-O_(ads2)-Zn_(slab2)桥连键.其它较为稳定的结构是O_(ads1)原子迁移到下一个表面重复晶胞的O原子位置附近,在表面上形成了Zn_(slab1)-O_(ads1)键,同时O_(ads2)原子扩散至表面沟渠上方.对于H_2O吸附,不论以何种方式吸附结构都比较稳定.其中最稳定的构型是O_(ads)迁移到下一个表面重复晶胞的O原子位置附近,形成了Zn_(slab1)-O_(ads)键以及O_(slab3)-H氢键.另外较稳定的构型是O_(ads)迁移到ZnO■表面台阶上方,形成了Zn_(slab1)-O_(ads)键以及O_(slab1)-H氢键.     

ConPtm (n+m≤7)团簇吸附CO的第一性原理研究

利用密度泛函理论的广义梯度近似方法,计算了CO与双金属团簇ConPtm (n+m≤7)的相互作用. 结果表明：当n+m≤5时,CO更易于在Co原子的顶部成键. 当5≤n+m≤7时,CO则更易在Pt原子的顶位成键. n+m的值一定时,m的值越大CO越倾向于与Pt原子成键. 磁性分析表明,n+m的值一定时,Co原子数越大,磁矩越大,而Pt原子数越大,CO分子的吸附能越大. CO的吸附能在1.61 eV到3.01 eV之间,其中Pt6∙CO团簇的吸附能最大.     

气体分子在Co-BN表面吸附的第一性原理研究

采用包含色散力校正的密度泛函理论(DFT-D)方法系统地研究了气体分子(O_2,H_2,NO,CO,CO_2,SO_2,H_2S,H_2O)在Co掺杂单层BN(Co-BN)表面的吸附,分析了吸附小分子的几何结构,吸附能,电荷转移等情况.结果表明:1)CO等气体分子主要吸附在Co及其近邻六元环的顶位,吸附结构的电荷转移表明掺杂原子Co对BN衬底的气敏特性有较好的调制作用;2)在Co-BN表面吸附的O_2和CO较易被活化,表明Co-BN可能是一种对CO氧化有较好催化活性的新型催化材料.     

二氧化硫在改性BC_3表面的吸附特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法观察修饰不同原子(Mo,Pt,Si)来调控BC_3体系的表面结构和反应活性.研究发现:单个原子吸附在BC_3表面具有不同的稳定位,Pt和Si原子吸附在H1位稳定,而Mo原子吸附在H2位稳定.单个原子在完整结构BC_3表面的扩散势垒较小,而掺杂的原子在单空位缺陷BC_3体系中具有极高的稳定性( 6.5 eV),这些掺杂原子显正电性能够有效地调制BC_3体系的电子结构、磁性以及影响二氧化硫(SO_2)的吸附强弱.与Pt原子掺杂的BC_3体系(Pt-BC_3)相比,单个SO_2分子在Si-和Mo-BC_3体系上的吸附能较大,表现出较高的灵敏特性.该研究为设计类石墨烯基功能纳米材料提供参考.     

非金属与金属原子共掺杂石墨烯体系的气敏特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了非金属N原子和金属原子(M=Mo,Al,Co,Fe,Au和Pt)共掺杂石墨烯体系(M-GN4)的电子结构和表面活性.研究发现:单个金属原子掺杂的GN4体系表现出不同的稳定性,相比掺杂的Au原子,其它的金属原子都具有很高的稳定性( 6. 0 e V).掺杂的金属原子失去电荷显正电性将有助于调控气体分子的吸附特性. Mo-GN4和Al-GN4衬底对吸附的O_2表现出较高的灵敏性,单个CO和O_2分子在Co-GN4和Fe-GN4衬底的吸附能差别较小.此外,吸附不同的气体分子能够有效地调控M-GN4体系的电子结构和磁性变化.     

原子分子在Pt(100)表面吸附的第一性原理研究

本文系统研究了H、N、O、C、S等原子,N_2、NH_3、NO、CO等分子和CH_3、CH、CH_2和OH等自由基在Pt(100)表面的吸附.从能量上来看,吸附能力从小到大的顺序是N_2NH_3COCH_3NOHOHNCH2OSCHC.原子类吸附物中H、N、O的最稳定吸附位均为桥位,而S、C则倾向于四重空位.所研究的分子吸附物(N_2、NH3、CO、NO),N_2和NH_3有且只有一种顶位吸附结构,CO和NO均优先吸附在空位.自由基吸附物(CH、CH_2、CH_3、OH)在Pt(100)表面上的吸附,CH_3优先吸附在顶位,CH_2、OH它们的最稳定吸附位均为桥位.原子、分子和自由基吸附后,会引起Pt(100)原子层间距的改变.     

WO_3(001)表面活性氧物种的理论研究

采用第一性原理结合周期性平板模型的方法,对O_2在完整和缺陷WO_3(001)表面的吸附行为进行了研究.结果表明:WO_3(001)完整表面上吸附态的O_2不易成为表面氧化反应的活性氧物种,当吸附质与表面作用时,将优先与表面晶格氧(O_t)成键,进而形成表面缺陷态,体系呈现金属性,电导率增大.比较O_2在缺陷表面上各吸附构型的吸附能发现,O_2的吸附倾向于发生在缺陷位置(W_v)上,且表现为氧气分子中的两个氧原子均与缺陷位W_v作用,形成新的活性氧物种(O_2~-);吸附后表面被氧化,电导率降低.     

MgO、SnO_2、TiO_2表面氧空位性质对气体光学传感特性的影响

光学气敏传感器是当今研究领域的一个热门方向.文章采用密度泛函理论(DFT)体系下广义梯度近似(GGA)第一性原理平面波超软赝势方法,分析和计算了光学气敏材料岩盐型MgO、金红石型SnO_2和锐钛矿型TiO_2表面氧空位的特性.以CO作为吸附分子进行微观机理研究,研究不同氧化物表面吸附气体分子的机理.对氧化物表面的几何结构、吸附能、态密度、差分电荷密度、电荷布居、电荷转移、光学性质等进行分析.研究发现:含有氧空位缺陷的MgO(001)、SnO_2(110)和TiO_2(101)能稳定的吸附CO分子,吸附后造成了材料光学性质的变化,可作为光学气敏传感材料.分析发现:氧空位氧化能力的大小是光学性质改变的核心原因.表面吸附CO分子后,发现SnO_2(110)表面对分子的吸附能最大,分子与表面的吸附距离最短.通过差分电荷密度和电荷布居数发现,表面与CO分子间存在电荷转移,其转移电子数目大小为:SnO_2(110)TiO_2(101)MgO(001),由此得出不同氧化物表面氧化性的大小为:SnO_2(110)TiO_2(101)MgO(001);通过对比吸收谱和反射谱发现:吸附气体分子后SnO_2(110)表面的光学性质变化最为明显,是一种较好的光学气敏传感材料.     

超临界CO2在金属铀表面吸附的理论研究

依据实验数据,假定CO2在金属铀表面吸附氧化初期形成的吸附中间体为UCO2.根据密度泛函理论(DFT)的Becke3lyp方法计算得UCO2(C2v构型)分子的5A1态能量最低,这与用原子分子反应静力学与群论确定UCO2的基电子状态为5A1的结果一致.计算表明,CO2在金属铀表面的吸附是放热反应,其吸附量随着温度的升高而不断减少,其吸附热在1 atm下为51.68 kJ.mol-1,该值大于40 kJ.mol-1,故CO2在金属铀表面的吸附是化学吸附.     

二维Ti_2CO_2单层吸附H_2S分子的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法研究了H_2S分子在二维单层Ti_2CO_2表面上的吸附以及外加应变和电场对其性质的调制,发现该吸附为物理吸附,其吸附强度几乎不受外加拉伸应变的影响,而外加电场使H_2S分子的吸附增强.同时,通过单层Ti_2CO_2表面不同结构(如水分子修饰、官能团掺杂、氧官能团空位)对H_2S分子吸附性质影响的研究表明:(1)表面吸附的水分子促进H_2S分子的吸附,其吸附强度随H_2O分子数增多而增强;(2)官能团OH掺杂浓度低于0.22 ML时,促进H_2S分子的吸附,而较高浓度OH掺杂使H_2S分子吸附减弱;官能团F掺杂对H_2S分子吸附强度几乎没有影响;(3)含氧空位的Ti_2CO_2表面与H_2S分子相互作用较强,吸附能高达-1.06 eV,且电子结构改变明显.     

密度泛函理论研究Rh_n(n=2-5)团簇与部分小分子体系的相互作用

采用密度泛函理论系统计算研究了Rh_n(n=2-5)团簇吸附小分子(H_2、O_2、N_2、NO、CO、NO_2、CO_2)体系的基态几何结构和电子结构特性.结果表明:N_2、NO、CO和CO_2在Rhn表面以物理吸附的形式存在,H_2和NO_2在Rhn表面发生化学吸附,O_2在Rhn表面的吸附与Rh团簇所含原子数目的奇偶性密切相关:O_2在含奇数原子铑团簇表面发生化学吸附、在含偶数原子铑团簇表面发生物理吸附;对于各小分子在Rhn表面的物理吸附而言,吸附能强弱顺序为NO(CO≈NO_2≈O_2)(CO_2≈N_2)H_2.     

原子分子在Pt(100)表面吸附的第一性原理研究

本文系统研究了H、N、O、C、S等原子,N2、NH3、NO、CO等分子和CH3、CH、CH2和OH等自由基在Pt(100)表面的吸附. 从能量上来看,吸附能力从小到大的顺序是N2相似文献   

S在Pt皮肤Pt3Ni(111)面吸附的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算并分析了S原子在 Pt皮肤Pt3Ni(111)面不同位置的吸附特性.结果表明：S原子在Pt皮肤Pt3Ni的fcc位吸附最强,吸附能为5. 49 eV;与S原子在纯净Pt(111)表面的吸附相比,S原子在Pt皮肤Pt3Ni表面相应吸附位置的吸附能变小、与近邻的Pt原子形成的S-Pt键变长,表明掺杂的Ni会减小相应位点S原子的吸附能,降低体系对S原子的吸附能力,进而减弱S吸附对体系催化能力的影响;态密度分析发现, S原子的吸附使得Pt基催化剂的催化活性降低,主要是S的2p电子引起的;这些结果将为后续研究Pt基合金电极抗S中毒效果以及探究S原子吸附后Pt3Ni的活性位提供依据.     

原子分子在Pt(100)表面吸附的第一性原理研究

本文系统研究了H、N、O、C、S等原子,N2、NH3、NO、CO等分子和CH3、CH、CH2和OH等自由基在Pt(100)表面的吸附. 从能量上来看,吸附能力从小到大的顺序是N2相似文献   

N2H4在NiFe(111)合金表面吸附稳定性和电子结构的第一性原理研究

采用基于色散校正的密度泛函理论进行了第一性原理研究, 详细分析了肼(N₂H₄)在Ni₈Fe₈/Ni(111)合金表面稳定吸附构型的吸附稳定性和电子结构及成键性质. 通过比较发现, 肼分子以桥接方式吸附在表面的两个Fe原子上是最稳定的吸附构型, 其吸附能为-1.578 eV/N₂H₄. 同时发现, 肼分子在这一表面上吸附稳定性的趋势为: 桥位比顶位吸附更有利, 且在Fe原子上比在Ni原子上的吸附作用更强. 进一步分析了不同吸附位点上稳定吸附构型的电子结构、电荷密度转移以及电子局域化情况. 结果发现: 相同吸附位点的电子态密度图基本一致, 并且N原子的p轨道和与之相互作用的表面原子的d轨道之间存在态密度上的重叠; 吸附后电荷密度则主要从肼分子转移到表面原子之上; 在电子局域化函数切面图中也发现吸附后电子被局域到肼分子的N原子和相邻的表面原子之间. 这些电子结构的表征都充分说明肼分子与表面原子之间通过电荷转移形成了强烈的配位共价作用.