O2在Si掺杂石墨烯上吸附与活化

采用包含色散力校正的密度泛函理论方法(DFT-D)研究了O2在Si掺杂石墨烯(Si-Gra)上吸附与活化. 研究结果表明: 1) 与纯净石墨烯相比, Si掺杂极大的增强了石墨烯对O2的吸附能力. O2的最稳定吸附构型是以Side-on 模式吸附在掺杂的Si的顶位, 形成O-Si-O三元环. 次稳定吸附构型是与Si及近邻的一个C形成O-Si-C-O四元环结构. 两个吸附构型对应的吸附能分别为-2.40和-1.93 eV; 2) O2有两种分解路径: 直接分解路径(势垒为0.53 eV)和整体扩散后的分解路径(势垒为0.81 eV); 3) 分解之后的两个O原子分别吸附在Si的顶位和相邻碳环的两个碳原子的桥位; 4) 电子结构分析表明吸附的O2从Si-Gra获得较多电荷, 从而被活化. 总之, Si-Gra具有较强的催化氧气还原能力, 是一种潜在的良好的非金属氧还原催化剂.     

第一性原理研究O2在CrN4掺杂石墨烯上的氢化

掺杂是调制graphene催化特性的有效方法. 掺杂的Graphene, 因其具有对氧还原反应具有较高的活性, 而作为一种新型高效质子交换膜燃料电池阴极材料. 采用包含色散力校正的第一性原理的密度泛函理论方法(DFT-D)系统的研究了O2在CrN4掺杂的Graphene上的吸附和氢化特性. 结果表明: (1) O2倾向于以side-on模式吸附在Cr顶位, 形成O-Cr-O三元环结构, 吸附能为1.75 eV; (2) O2在CrN4-Gra上更倾向于直接分解成O+O, 并进一步氢化为O+OH, 反应的限速步为O2的分解, 相应的反应势垒为0.48 eV.     

第一性原理研究O_2在CrN_4掺杂石墨烯上的氢化

掺杂是调制graphene催化特性的有效方法 .掺杂的石墨烯,因其具有对氧还原反应具有较高的活性,而作为一种新型高效质子交换膜燃料电池阴极材料.采用包含色散力校正的第一性原理的密度泛函理论方法 (DFT-D)系统的研究了O_2在CrN_4掺杂的石墨烯上的吸附和氢化特性.结果表明:(1)O_2倾向于以side-on模式吸附在Cr顶位,形成O-Cr-O三元环结构,吸附能为1.75 e V;(2)O_2在Cr N4-Gra上更倾向于直接分解成O+O,并进一步氢化为O+OH,反应的限速步为O_2的分解,相应的反应势垒为0.48 e V.     

FeN4掺杂对富勒烯催化特性调制的第一性原理研究

因其较好的稳定性和催化活性,非金属N与金属共掺杂的富勒烯（C60）作为新型氧化还原反应（ORR）催化剂受到了人们的广泛关注。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统地研究了FeN4掺杂对C60催化特性的调制规律,揭示了O2在FeN4掺杂的C60上的吸附和氢化特性。结果表明：（1）O2倾向于以side-on模式吸附在Fe的顶位上,O-O键平行于C60的球切面,与Fe形成O-Fe-O三元环结构,对应的吸附能为1.48 eV。（2）O2的氢化反应路径可以分为两条：（i）O2先解离为O + O,然后氢化为O + OH。O2的解离为反应的速控步,势垒为2.82 eV。（ii）O2先氢化形成OOH结构,然后解离。氢化为反应的速控步,势垒为2.83 eV。     

第一性原理研究O2在TiN4掺杂石墨烯上的氢化

作为一种新型高效质子交换膜燃料电池阴极材料, 金属与N共掺杂的石墨烯因其对氧还原反应具有较高的活性而引起了人们的广泛关注. 采用包含色散力校正的密度泛函理论方法系统地研究了O₂在TiN₄掺杂的Graphene上的吸附, 氢化特性. 结果表明: 1) O₂倾向于以side-on模式吸附在Ti顶位, 形成O-Ti-O三元环结构; 2) O₂在TiN₄-Graphene上更倾向于以分子形式直接氢化, 形式OOH结构, 并进一步解离为O+OH, 反应的限速步为O₂的氢化, 对应的反应势垒为0.52 eV.     

FeN_4掺杂对富勒烯催化特性调制的第一性原理研究

因其较好的稳定性和催化活性,非金属N与金属共掺杂的富勒烯(C60)作为新型氧化还原反应(ORR)催化剂受到了人们的广泛关注.采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统地研究了Fe N4掺杂对C60催化特性的调制规律,揭示了O_2在Fe N4掺杂的C60上的吸附和氢化特性.结果表明:(1)O_2倾向于以side-on模式吸附在Fe的顶位上,O-O键平行于C60的球切面,与Fe形成O-Fe-O三元环结构,对应的吸附能为1.48 e V.(2)O_2的氢化反应路径可以分为两条:(i)O_2先解离为O+O,然后氢化为O+OH.O_2的解离为反应的速控步,势垒为2.82 e V.(ii)O_2先氢化形成OOH结构,然后解离.氢化为反应的速控步,势垒为2.83 e V.     

O_2在FeN_4掺杂碳纳米管上氢化特性的密度泛函理论研究

因其速率快、稳定性高,非金属N与金属共掺杂的碳材料作为新型高效ORR催化剂而引起了人们的广泛关注.采用包含色散力校正的密度泛函理论方法系统地研究了氧分子在FeN_4掺杂的碳纳米管上的吸附、氢化特性.结果表明:(1)O_2倾向于以end-on模式吸附在Fe顶位,O-O键与衬底表面成一定角度,并指向五元环,对应的吸附能为1.62 e V.(2)O_2在FeN_4-CNTs上更倾向于直接氢化为OOH,然后解离为O+OH,整个路径的限速步为OOH的解离,对应的势垒为1.19 eV.     

Li修饰的C_6分子对H_2O的吸附研究

采用密度泛函理论中的广义梯度近似研究C6Li吸附H2O分子并将之进行分解的催化过程.几何优化发现:Li原子最稳定的吸附位置是位于C原子顶位上方.研究表明,第一个H2O分子吸附在C6Li上需要克服1.77 eV的能量势垒,然后分解为H和OH且与Li原子成键.当吸附第二个H2O分子时,第二个H2O分子需要克服1.2 eV的能量势垒分解为H和OH,其中H与Li原子上的H原子结合成H2,OH则替代Li原子上的H结合在Li原子上.因此C6Li可以作为催化剂将H2O分子进行分解得到H2.分析可知:C6Li主要是通过Li原子与H2O之间形成的偶极矩作用来吸附H2O分子,与C60Li12的储氢机制类似.研究结果可为储氢材料的制备提供一个新的思路.     

B,P单掺杂和共掺杂石墨烯对O,O_2,OH和OOH吸附特性的密度泛函研究

基于第一性原理的密度泛函理论研究了B,P单掺杂以及B,P共掺杂石墨烯对O,O_2,OH和OOH的吸附特性.通过分析吸附能、键长、态密度以及电荷转移,比较了不同掺杂对燃料电池氧还原反应(ORR)中间物吸附的影响,进而探讨了反应过程,并给出各步反应自由能的变化趋势.结果表明:B,P单掺杂石墨烯对各中间物的吸附能存在线性关系,掺P石墨烯吸附OOH的吸附能为3.26 eV,远大于掺B石墨烯的吸附能0.73 eV;掺P石墨烯较大的吸附能有利于中间物OOH中O—O键的断裂,掺B石墨烯吸附能小有利于中间物OH生成H2O脱附的反应发生;而B,P共掺杂石墨烯的吸附存在协同效应,具有更好的催化ORR的反应能力.     

氢分子在Mg2Ni(010)面的吸附与分解

本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一原理赝势平面波(PW-PP)方法,对氢分子在Mg2Ni(010)面的吸附与分解进行了研究,发现氢分子以Horl的方式吸附在表面层Ni原子的顶位时吸附能最高,为0.6769 eV,这表明氢分子最可能以Horl的方式吸附在表面层Ni原子的顶位,此时氢分子跟表面的距离(rd)和氢分子的键长(rH)分别为1.6286 A和0.9174 (A).在分子吸附的基础上计算了氢分子沿着选取的反应路径分解时的反应势垒,发现要使氢分子分解需要0.2778 eV的活化能,而氢分子分解时的吸附能为0.8390 eV,分解后两个氢原子的距离为3.1712(A).在分子吸附和分解吸附时氢原子跟正下方的Ni原子都有较强的相互作用,氢原子所得到的电子主要来自氢分子正下方的Ni原子.     

A density functional study of atomic hydrogen and oxygen chemisorption on the relaxed (0001) surface of double hexagonal close packed americium

Ab initio total energy calculations within the framework of density functional theory have been performed for atomic hydrogen and oxygen chemisorption on the (0001) surface of double hexagonal packed americium using a full-potential all-electron linearized augmented plane wave plus local orbitals method. Chemisorption energies were optimized with respect to the distance of the adatom from the relaxed surface for three adsorption sites, namely top, bridge, and hollow hcp sites, the adlayer structure corresponding to coverage of a 0.25 monolayer in all cases. Chemisorption energies were computed at the scalar-relativistic level (no spin-orbit coupling NSOC) and at the fully relativistic level (with spin-orbit coupling SOC). The two-fold bridge adsorption site was found to be the most stable site for O at both the NSOC and SOC theoretical levels with chemisorption energies of 8.204 eV and 8.368 eV respectively, while the three-fold hollow hcp adsorption site was found to be the most stable site for H with chemisorption energies of 3.136 eV at the NSOC level and 3.217 eV at the SOC level. The respective distances of the H and O adatoms from the surface were found to be 1.196 ?and 1.164 ?. Overall our calculations indicate that chemisorption energies in cases with SOC are slightly more stable than the cases with NSOC in the 0.049–0.238 eV range. The work functions and net magnetic moments respectively increased and decreased in all cases compared with the corresponding quantities of bare dhcp Am (0001) surface. The partial charges inside the muffin-tins, difference charge density distributions, and the local density of states have been used to analyze the Am-adatom bond interactions in detail. The implications of chemisorption on Am 5f electron localization-delocalization are also discussed.     

A first-principles study on initial processes of a Ni adatom on the H-terminated Si(0 0 1)-(2×1) surface

We studied the adsorption, surface diffusion, and penetration, i.e. the initial processes of a Ni adatom on the H-terminated Si(001)-(2×1) surface by the first-principles theoretical calculations. As concerns the adsorption, two different types were found. When Ni is deposited onto the Si dimer row, it once captures H from the dimer Si, though it eventually returns H, with no activation energy barrier. Then, Ni moves to the most stable site, which is the off-centered bridge (B) site between the dimer rows, with the activation energy of 0.65 eV. On the other hand, Ni deposited between the dimer rows captures no H and moves to the B site without the energy barrier. Thus an adsorbed Ni atom invariably arrives at the most stable B site at the room temperature. As for the surface diffusion, it needs the activation energies of 0.66 and 1.19 eV for Ni to migrate from the B site in the directions parallel and perpendicular to the dimer row, respectively. Therefore, we concluded that the surface diffusion of Ni is restricted in the valley between the dimer rows at the room temperature. Furthermore, since the penetration of Ni is blocked on this surface, it was also concluded that the surface hydrogenation suppresses silicidation.     

石墨烯在Al_2O_3(0001)表面生长的模拟研究

基于密度泛函理论的广义梯度近似法,对用化学气相沉积法在蓝宝石(α-Al_2O_3)(0001)表面上生长石墨烯进行理论研究.研究结果表明:CH_4在α-Al_2O_3(0001)表面上的分解是吸热过程,由CH_4完全分解出C需要较高能量及反应能垒,这些因素不利于C在衬底表面的存在.在α-Al_2O_3(0001)表面,石墨烯形核的活跃因子并不是通常认为的C原子,而是CH基团.通过CH基团在α-Al_2O_3(0001)表面上的迁移聚集首先形成能量较低的(CH)_x结构.模拟研究(CH)_x对揭示后续石墨烯的形核生长机理具有重要意义.