SnO2(110)弛豫表面构型与电子结构的第一性原理研究

采用基于第一性原理的密度泛函方法对SnO₂(110)表面的构型和电子结构进行了系统研究. 结果表明, 与理想表面相比, 表面弛豫导致表层五配位Sn原子向体相方向位移, 六配位Sn原子以及表面氧原子往真空方向移动, 而桥氧原子位置基本保持不变. 当表面厚度小于3 nm时, 表面能和表层原子的弛豫大小随着层数的增加出现振荡现象. 由能带计算结果得知, 以桥氧的2p_y/2i>p_z轨道为主要成分的能带出现在体相的带隙中. 进一步考察了弛豫对表面电子结构的影响.     

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。     

Pt/Cu(001)-p(2×2)-O表面吸附结构的总能计算

采用密度泛函理论(DFT)研究了氧吸附后Pt/Cu(001)表面合金的原子结构和表面性质. 计算结果表明, 在Pt/Cu(001)-p(2×2)-O表面最稳定结构中, 衬底表面原子层不发生再构, 氧原子吸附于4重对称的Pt原子谷位, 每个氧原子吸附能约为2.303 eV. 吸附结构的Cu—O和Pt—O键键长分别为0.202和0.298 nm, 氧原子的吸附高度ZCu—O约为0.092 nm. 吸附前后Pt/Cu(001)-1ML(monolayer)表面合金的表面功函数分别为4.678和5.355 eV. 吸附表面氧原子和衬底的结合主要来自氧原子2p轨道和衬底金属原子d轨道的杂化作用, 氧原子吸附形成的表面电子态主要位于费米能级以下约-2.7 eV 处.     

O2和CN在铜活化闪锌矿(110)表面的吸附

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波赝势法模拟了O₂和CN分子在铜活化闪锌矿(110)表面的吸附. 结果表明: 铜活化后闪锌矿表面的铜原子3d轨道处于费米能级附近, 增强了闪锌矿表面的活性. 未活化闪锌矿表面不能吸附O₂, 活化后闪锌矿表面的铜原子和硫原子提供电子填入氧的反键π_2p^*轨道从而形成吸附键. CN分子吸附模拟表明, 铜活化增强了CN分子与闪锌矿表面的吸附作用. Cu原子d轨道与C原子反键p轨道作用形成反馈π键, 同时C原子s轨道与Cu原子sp轨道作用形成共价键; CN分子中N原子与闪锌矿表面S原子发生相互作用.     

氢分子在ZrC(111)面解离过程的动态能带结构研究

采用密度泛函方法和平板模型对H₂在ZrC(111)面上的反应途径进行了研究, 结果表明H₂在该表面上的解离易于发生. 通过考察各中间态的能带结构, 在H₂解离的过程中, H 1s诱导态(占据)所处能量位置存在着先上升后下降的过程, 同时清洁表面中处在费米能级下方的以表面Zr原子4d_xz/d_yz为主要成分的能带消失. 上述能带结构分析结果再现了活性表面态在反应过程中的作用, 并与光电子能谱观测结果相吻合.     

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.     

周期性密度泛函理论研究NO在Cu2O(111)表面上的吸附

运用广义梯度密度泛函理论(GGA)的PBE方法结合周期平板模型，在DND基组下，研究了NO以N端和O端两种吸附取向在Cu₂O(111)非极性表面上的吸附。通过对不同吸附位置的吸附能和几何构型参数的计算和比较发现：表面上配位不饱和的铜离子(CuCUS)为活性吸附位；NO的N端吸附比O端吸附更为有利，N端吸附时吸附能可达到113.5 kJ·mol^-1，而O端情况下只有39.7 kJ·mol^-1；NO倾斜吸附在Cu₂O(111)表面上，O端吸附时倾斜度更大。在两种吸附取向情况下，N-O键的伸缩振动频率都发生了较大的红移，N端吸附情况下红移150 cm^-1，O端时红移330 cm^-1。前线轨道分析表明，Cu与NO间的吸附作用主要是Cu的d轨道和NO的π^*轨道间的相互作用。表面弛豫的计算表明，Cu₂O(111)面的弛豫对O端吸附方式产生较大影响，考虑表面弛豫时O端吸附为很弱的化学吸附(吸附能为39.7 kJ·mol^-1)，而没有考虑弛豫时吸附能为60.5 kJ·mol^-1。     

CO在α-U(001)表面的吸附

采用密度泛函理论中的广义梯度近似,计算了CO在α-U(001)表面的吸附、解离和扩散.结果表明:CO分子以CU3OU2构型化学吸附在α-U(001)表面,吸附能为1.78-1.99eV;吸附后表层U原子向上迁移,伴随着褶皱的产生;CO分子与表面U原子的相互作用主要是U原子的电子向CO分子最低空轨道2π*转移,以及CO2π*/5σ/1π-U6d轨道间杂化而生成新的化学键;CO解离吸附较分子吸附在能量上更为有利,h1(C)+h2(O)和h1(C)+h1(O)(h:空位)解离态吸附能分别为2.71和3.08eV;近邻三重穴位之间C、O原子的扩散能垒分别为0.57和0.14eV,预示O原子较C原子更易在U(001)表面扩散迁移.     

氢原子吸附的Cu(100)表面原子结构和电子态

用密度泛函理论的总能计算研究了金属铜(100)面的表面原子结构以及在不同覆盖度时氢原子的吸附状态. 研究结果表明, 在Cu(100)c(2×2)/H表面体系中, 氢原子吸附的位置是在空洞位置, 距最外层Cu原子层的距离为0.052 nm, 相应的Cu—H键长为0.189 nm, 并通过计算结构参数优化否定了其它的吸附位置模型. 总能计算得出Cu(100)c(2×2)/H表面的功函数为4.47 eV, 氢原子在这一体系的吸附能为2.37 eV(以孤立氢原子为能量参考点). 通过与衬底原子的杂化, 氢原子形成了具有二维特征的氢能带结构, 在费米能级以下约0.8 eV处出现的表面局域态是Cu(S)-H-Cu(S-1)型杂化的结果. 采用Cu(100)表面p(1×1)、p(2×2)和p(3×3)的三种氢吸附结构分别模拟1, 1/4, 1/9的原子单层覆盖度, 计算结果表明, 随着覆盖度的增加, 被吸附的氢原子之间的距离变短, 使得它们之间的静电排斥和静电能增大, 从而导致表面吸附能和吸附H原子与最外层Cu原子间垂直距离(ZH-Cu)逐渐减小. 在较低的覆盖度下, 氢原子对Cu(100)表面的影响主要表现为单个原子吸附作用的形式. 通过总能计算还排除了Cu(100)表面(根号2×2根号2)R45°-2H缺列再构吸附模型的可能性.     

密度泛函理论研究十二烷硫醇在Au(111)面上的吸附

采用第一性原理方法研究了十二烷硫醇(C₁₂H₂₅SH)分子在Au(111)面上未解离和解离吸附的结构、能量和吸附性质,在此基础上分析判断长链硫醇分子在Au(111)面吸附时S―H键的解离, 以及分子链长度对吸附结构和能量的影响. 计算了S原子在不同位置以不同方式吸附的系列构型, 结果表明在S―H键解离前和解离后,均存在两种可能的表面结构, 直立吸附构型和平铺吸附构型; 未解离的C₁₂H₂₅SH分子倾向于吸附在top位, 吸附能为0.35-0.38 eV; H原子解离后C₁₂H₂₅S基团倾向于吸附在bri-fcc位, 吸附能量为2.01-2.09 eV. 比较分析未解离吸附和解离吸附, 发现C₁₂H₂₅SH分子未解离吸附相较于解离吸附要稳定, 未解离吸附属于弱化学吸附.局域电子态密度和差分电荷密度分析进一步验证了S―H解离后S原子与表面之间成键的数目增加, 而且键合更强. 同时我们发现长链硫醇的吸附能量较短链硫醇的吸附能量略大, S原子与表面Au原子之间的距离略小.     

Pt/Cu(001)-p(2×2)-O表面吸附结构的总能计算

采用密度泛函理论(DFT)研究了氧吸附后Pt/Cu(001)表面合金的原子结构和表面性质.计算结果表明,在Pt/Cu(001)-p(2×2)-O表面最稳定结构中,衬底表面原子层不发生再构,氧原子吸附于4重对称的Pt原子谷位,每个氧原子吸附能约为2.303 eV.吸附结构的Cu-O和Pt-O键键长分别为0.202和0.298 nm,氧原子的吸附高度Zcu-O约为0.092 nm.吸附前后Pt/Cu(001)-1ML(monolayer)表面合金的表面功函数分别为4.678和5.355 ev.吸附表面氧原子和衬底的结合主要来自氧原子2p轨道和衬底金属原子d轨道的杂化作用,氧原子吸附形成的表面电子态主要位于费米能级以下约-2.7 eV处.     

Pt原子在γ-Al2O3(001)表面的吸附及迁移

采用密度泛函理论(DFT)中广义梯度近似(GGA)方法, 对Pt原子与γ-Al₂O₃(001)面的相互作用及迁移性能进行了研究. 分析了各种可能吸附位及吸附构型的松弛和变形现象, 吸附能和迁移能垒的计算结果表明: Pt团簇能够稳定吸附在该表面. Pt原子在表面O位的吸附能明显较高, 这主要是由Pt向基底O原子转移了电子所致. 电荷布居分析表明, Pt原子显电正性, Pt和Al原子之间存在排斥作用, 导致与Al原子产生较弱相互作用. 计算的平均吸附能大小依赖于Pt团簇的大小和形状, 总体趋势是随着Pt原子数增多, 吸附能降低. Pt原子在γ-Al₂O₃(001)表面迁移过程所需克服的迁移能垒最高值为0.51 eV. 随着吸附的Pt原子数增多,更倾向于形成Pt团簇. 因此, Pt原子在γ-Al₂O₃(001)表面的吸附演变不可能形成光滑、均匀平铺的吸附构型, 而在一定条件下容易出现团聚.     

Pt/Cu（001）-p（2×2）-O表面吸附结构的总能计算

采用密度泛函理论（DFT）研究了氧吸附后Pt/Cu（001）表面合金的原子结构和表面性质.计算结果表明,在Pt/Cu（001）-p（2×2）-O表面最稳定结构中,衬底表面原子层不发生再构,氧原子吸附于4重对称的Pt原子谷位,每个氧原子吸附能约为2.303 eV.吸附结构的Cu—O和Pt—O键键长分别为0.202和0.298 nm,氧原子的吸附高度ZCu—O约为0.092 nm.吸附前后Pt/Cu（001）-1ML（monolayer）表面合金的表面功函数分别为4.678和5.355 eV.吸附表面氧原子和衬底的结合主要来自氧原子2p轨道和衬底金属原子d轨道的杂化作用,氧原子吸附形成的表面电子态主要位于费米能级以下约-2.7 eV处.     

Ni(110)-p2mg(2×1)-CO表面的几何结构和电子态

利用密度泛函理论(DFT)总能计算研究了Ni(110)-p2mg(2×1)-CO表面的原子结构和电子态. 计算结果表明: CO分子吸附于该表面的短桥位附近, 分子吸附能为1.753 eV, CO分子的键长dC—O为0.117 nm, 分子与表面竖直方向的夹角为20.0°, 碳原子和短桥位中点的连线与竖直方向的夹角为20.9°; 吸附的CO分子内原子间的伸缩振动频率为1876和1803 cm-1. 态密度研究结果表明吸附作用主要来自CO分子π、σ轨道与衬底d轨道间的杂化作用. CO分子σ轨道和衬底表面镍原子dxz轨道杂化形成的表面电子态主要位于费米能以下-10.4 至-8.8 eV和-7.4至-5.1 eV 范围内. σ和dxz轨道间的杂化作用可能是形成p2mg表面对称性的重要因素之一.     

苯在Au(100)表面化学吸附的周期性密度泛函理论研究

采用局域密度泛函理论(LDA)的VWN方法, 结合周期平板模型, 在DNP基组下, 研究了苯分子在Au(100)面的吸附情况. 构型优化的结果表明, 苯分子在穴位吸附活性最高, 吸附能为－184.8～－184.3 kJ•mol^-1, 苯环发生扭曲, C—C键明显拉长, 出现了介于苯和1,4-环己二烯之间的船状构型, 船头的2个C原子从sp²杂化重新进行sp³杂化. 苯分子在桥位和顶位的吸附活性较低, 吸附能分别为－156.7～－145.3 kJ•mol^-1、－116.5～－117.0 kJ•mol^-1, 苯分子构型有稍微的改变. 轨道分析的结果还表明, 吸附之后苯分子的轨道简并度降低, 苯分子的LUMO轨道和邻近Au原子的d_z²轨道叠加比较好, 两个对位的C原子以双σ形式连接到表面邻近的Au原子上.     

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。     

Cux (x=1-4)团簇在CeO2(111)表面的吸附

用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Cu团簇(Cu_x, x=1-4)在CeO₂(111)表面的吸附. 研究发现当团簇比较小时(x=2, 3), 倾向于平铺表面; 当x=4时, Cu团簇在CeO₂(111)表面以三维的四面体结构吸附较为稳定, 从Cu 3d到Ce 4f的电荷转移使Cu团簇带正电荷. 由二维的菱形结构到三维的四面体结构的转变势垒为1.05 eV, 并且其中一个Cu原子直接迁移到另外三个Cu原子的空位顶部的转变路径比较有利. 在Cu团簇与CeO₂的相互作用过程中, Cu-O和Cu-Cu相互作用的竞争最终决定了Cu团簇在CeO₂上的形貌. 这种CeO₂(111)负载的带正电的三维Cu团簇将对水分解, 进而对水煤气反应具有高的催化活性.     

配合物[Zn(p-ABA)2(phen)·(H2O)]·H2O的水热合成、晶体结构及热稳定性

在甲醇水混合溶剂中，以对乙酰氨基苯甲酸(p-ABA)，1，10-邻菲咯啉(phen)为配体与高氯酸锌合成了标题配合物[Zn(p-ABA)₂(phen)·(H₂O)]·H₂O。配合物(C₃₀H₂₆N₄O₈Zn，分子量为637.93)晶体属单斜晶系，空间群P2₁/c。晶体结构表明:锌原子与2个对乙酰氨基苯甲酸的2个氧原子，1个1，10-邻菲咯啉中的2个氮原子以及水分子中的氧原子配位，晶胞参数:a=1.362 77(17) nm， b=1.882 3(2) nm，c=1.252 53(16) nm;β=114.500(2)°，V=2.923 6(6) nm³，D_c=1.449 g·cm^-3，Z=4，F(000)=1 320，R₁=0.041 4，wR₂=0.087 8。形成五配位的三角双锥结构。对配合物热稳定性进行分析，结果表明，配合物在230.0 ℃以下稳定性好。     

配合物稳定性与酸碱强度之间的直线自由能关系——ⅪⅤ.N-(取代苯基)亚氨基二乙酸与铜(Ⅱ)、镍(Ⅱ)、锌(Ⅱ)钴(Ⅱ)二元配合物的稳定性研究

The dissociation constants of N-(para-substituted phenyl) iminodiacetic acid (p-RPhID A, R= Cl, H, CH₃, CH₃O) and N-(ortho-substituted phenyl) iminodiacetic acid (o-RPhlDA) and the formation constants of binary complex compounds of Cu(Ⅱ)-o-RPhIDA, Cu(Ⅱ)-p-RPhIDA, Co(Ⅱ)-p-RPhIDA, Ni(Ⅱ)-p-RPhIDA and Zn(Ⅱ)-p-RPhIDA were determined by pH method in the presence 0.1mol·dm^-3KNO₃ at 25℃ . It has been found that linear free energy relationships not only exist between stability of these binary complex compounds and base strength of ligand, but also exist between logβ and σ'(=pK₂-pK₂).The deviation of Cu(Ⅱ)-o-CH₃PhIDA from linearity may be ascribed to steric effect of methyl group at ortho position.     

W(100) c(2×2)表面的STM图像

用基于第一性原理的密度泛函理论研究了W(100) c(2×2)再构表面的表面弛豫以及扫描隧道显微镜(STM)图像和衬底偏压的关系. 计算所得到的表面原子沿[-110]方向的畸变位移δ为0.027 nm, 畸变能⊿E为80.6 meV·atom-1, 表面原子的弛豫分别为-7.6%(⊿d12/d0)和+0.8%(⊿d23/d0), 功函数Φ为4.55 eV. STM图像模拟表明, 由于表面原子沿[-110]方向的位移, 会导致出现平行于[110]方向的亮暗带状条纹. STM图像中突起所对应的并不是表面或次表面的钨原子, 而是zig-zag型W 原子链中线位置; 而STM暗区对应于原子位置畸变形成的相邻zig-zag型W原子链中间区域. 当衬底负偏压时, STM针尖典型起伏高度大约在0.008-0.013 nm之间; 而当衬底正偏压时, 针尖起伏高度在0.019-0.024 nm之间变化.