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.     

氧分子在Pt低指数面上的吸附和解离

应用原子和表面簇合物相互作用的5参数Morse势方法(简称5-MP)构造推广的LEPS势对O₂-Pt分子体系进行了系统的研究, 获得了O₂分子在Pt的2个低指数面(111)和(110)重构面上的吸附几何、结合能和振动频率等临界点性质; 计算结果显示O₂在Pt(111)面上难解离, 且存在超氧化吸附态, 同时, 应用表面分子解离限和晶面解离距的概念分析了(111)面上的解离机理; 并根据分子指纹性质, 将O₂在Pt(110)缺行重构面上出现的振动频率860, 930, 1250 cm^－1进行了合理的指派.     

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.     

NO在Cu(111)表面吸附和分解的XPS和TPD研究：不同氧物种的影响

利用X射线光电子能谱和程序升温脱附谱研究了NO在清洁和预吸附氧的Cu(111)表面上的吸附和反应.通过改变NO的暴露量和退火温度,在Cu(111)表面可以制备出不同种类的化学吸附氧物种,其O 1s的结合能分别位于531.0 eV (O₅₃₁)和529.7 eV (O₅₂₉).表面O₅₃₁物种的存在对NO的不同吸附状态有着显著影响,同时使得大部分NO吸附分子(NO(a))在加热过程中发生分解并以N₂O和N₂形式脱附; 而表面O₅₂₉物种对NO(a)的解离脱附有着明显的抑制作用.相对于O₅₃₁物种来说,O₅₂₉物种对NO吸附表现出更强的位阻效应.上述结果表明,NO在Cu(111) 表面的吸附和分解行为与预吸附氧物种的种类和覆盖度密切相关.     

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。     

甲醇在FeS2(100)完整表面的吸附和分解

采用基于第一性原理的密度泛函理论结合周期平板模型方法, 研究了甲醇分子在FeS₂(100)完整表面的吸附与解离. 通过比较不同吸附位置的吸附能和构型参数发现: 表面Fe位为有利吸附位, 甲醇分子通过氧原子吸附在表面Fe位, 吸附后甲醇分子中的C―O键和O―H键都有伸长, 振动频率发生红移; 甲醇分子易于解离成甲氧基CH3O和H, 表面Fe位仍然是二者有利吸附位. 通过计算得出甲醇在FeS₂(100)表面解离吸附的可能机理: 甲醇分子首先发生O―H键的断裂, 生成甲氧基中间体, 继而甲氧基C―H键断裂, 得到最后产物HCHO和H₂.     

CeO2(110)负载Au纳米颗粒催化CO+NOx反应的DFT+U研究

通过在位库伦校正的密度泛函理论（DFT+U）方法计算,我们研究了CO和NO_x分子在Au负载CeO₂（110）表面的吸附. 结果表明,CO在Au纳米颗粒的顶位有很强的吸附能,大约为1.2 eV,而NO在Au纳米颗粒上或者Au与CeO₂载体界面处都是弱吸附. 然而,当NO_x在界面处形成N₂O₂二聚体之后,通过断裂末端的N-O键能够有效地被降解. 纵观整个反应过程,第一步CO+N₂O₂的反应遵循了Langmuir-Hinshelwood机理,活化能只有0.4 eV,通过形成ONNOCO的中间物种最终产生N₂O和CO₂. 不同的是,第二步消除N₂O反应遵循了Eley-Rideal碰撞机理,需要相当高的能垒,约为1.8 eV. 通过进一步分析表明,稀土Ce元素独特的电子特性能够使电子从Au上转移并且局域到载体表面的Ce阳离子上,并且有助于形成带负电的N₂O₂分子. 而且Au纳米颗粒有很强的结构流动性,能够促进吸附的CO分子靠近界面处的N₂O₂并与之反应.     

五氟乙烷的真空紫外光电离光解离

利用同步辐射真空紫外光电离结合飞行时间质谱对五氟乙烷(CHF₂CF₃)进行了光电离光解离的研究，测定了CHF₂CF₃的电离势及该分子主要碎片离子的出现势. 结果表明: CHF₂CF₃的绝热电离势为(12.25±0.10) eV, 主要碎片离子有CF₂CF_{3⁺、CHFCF3⁺、CF2CF2⁺、CF3⁺、CHF2⁺、CHF⁺和CF⁺，其出现势分别为 (13.93±0.10) eV, (15.25±0.10) eV, (15.12±0.10) eV, (13.30±0.05) eV, (13.05±0.08) eV, (19.17±0.10) eV和 (19.56±0.15) eV. 另外，用从头算分子轨道理论计算了解离电离过程中所有碎片的总能量，并给出了电子态及对称性. 根据实验结果和理论计算，分析了可能的解离通道，并得到了分子及母体离子的键解离能等重要的热力学数据.}     

量子化学研究NO在铜负载金红石表面降解反应

应用密度泛函方法结合嵌入簇模型对NO在铜负载金红石表面的吸附与降解进行了研究，计算结果表明NO分子解离以氧端吸附形成N₂O中间体然后解离N₂和 O₂.过程，另一条途径为NO双分子直接解离。通过能量学计算揭示了生成N₂O中间体对降解NO更为有利。     

糠醛在Pt(111)表面的吸附和脱碳反应

采用广义梯度近似的密度泛函理论并结合平板模型的方法, 优化了糠醛分子在Pt(111)面的吸附模型,并探究了糠醛脱碳反应形成呋喃的机理. 结果表明: 吸附后糠醛分子环上的C―H(O)键及支链―CHO相对于金属表面倾斜上翘, 分子平面被扭曲, 易于呋喃的形成; 同时, 糠醛分子向Pt表面转移电子0.765e, 环中的大π键与Pt(111)表面的d轨道发生较强的相互作用, 使得糠醛的芳香性被破坏, 环上的碳原子呈现准sp³杂化. 此外, 对糠醛脱碳反应中的各反应步骤进行过渡态搜索, 通过比较各步骤的活化能, 得出糠醛更易先失去支链上的H形成酰基中间体(C₄H₃O)CO, 中间体继续脱碳加氢形成产物呋喃. 该过程的控速步骤为(C₄H₃O)CO^*+^*→C₄H₃O^*+CO^* (^*为吸附位),活化能为127.65 kJ·mol^-1.     

Steering and ro-vibrational effects on dissociative adsorption and associative desorption of H2/Pd(100)

The interaction of hydrogen with many transition metal surfaces is characterized by a coexistence of activated with non-activated paths to adsorption with a broad distribution of barrier heights. By performing six-dimensional quantum dynamical calculations using a potential energy surface derived from ab initio calculations for the system H₂/Pd(100) we show that these features of the potential energy surface lead to strong steering effects in the dissociative adsorption and associative desorption dynamics.

In particular, we focus on the coupling of the translational, rotational and vibrational degrees of freedom of the hydrogen molecule in the reaction dynamics.     

Study of adsorption and decomposition of H2O on Ge(100)

The adsorption and decomposition of water on Ge(100) have been investigated using real-time scanning tunneling microscopy (STM) and density-functional theory (DFT) calculations. The STM results revealed two distinct adsorption features of H2O on Ge(100) corresponding to molecular adsorption and H-OH dissociative adsorption. In the molecular adsorption geometry, H2O molecules are bound to the surface via Ge-O dative bonds between the O atom of H2O and the electrophilic down atom of the Ge dimer. In the dissociative adsorption geometry, the H2O molecule dissociates into H and OH, which bind covalently to a Ge-Ge dimer on Ge(100) in an H-Ge-Ge-OH configuration. The DFT calculations showed that the dissociative adsorption geometry is more stable than the molecular adsorption geometry. This finding is consistent with the STM results, which showed that the dissociative product becomes dominant as the H2O coverage is increased. The simulated STM images agreed very well with the experimental images. In the real-time STM experiments, we also observed a structural transformation of the H2O molecule from the molecular adsorption to the dissociative adsorption geometry.     

利用原位APXPS与STM研究H2在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面的活化

Cu/ZnO/Al₂O₃是工业中最广泛使用的甲醇合成催化剂。然而该催化反应的活性位点和机理目前仍存争议。H₂作为反应物之一,研究其在ZnO表面的活化和解离对于弄清甲醇合成反应的催化机理具有重要的帮助。本工作利用近常压光电子能谱(APXPS)和扫描隧道显微镜(STM)原位研究了H₂在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面上的活化和解离。APXPS结果表明：在0.3 mbar (1 mbar = 100 Pa)的H₂气氛中,室温下ZnO表面形成羟基(OH)吸附物种。STM实验发现通入H₂后ZnO表面发生了(1×1)到(2×1)的重构。上述结果和原子H在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面的吸附结果一致。然而吸附H₂O可以导致同样的现象。因此,我们还开展了H₂O在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面吸附的对比实验。结果表明：H₂气氛中ZnO表面发生0.3 eV的能带弯曲,而H₂O吸附实验中几乎观察不到能带弯曲发生。同时,热稳定性实验表明H₂气氛中ZnO表面的OH不同于H₂O解离吸附产生的OH,前者具有更高的脱附温度。因此,本工作的结果表明常温和常压下H₂在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面发生解离吸附。这一结果和以往超高真空下未发现H₂在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面上的解离不同,说明H₂的活化是一个压力依赖过程。     

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。     

Monte Carlo simulation of catalytic CO oxidation

A simple Monte Carlo model of the CO oxidation on a single-crystal catalyst surface is presented. The simulation model considers the following elementary reaction steps:

1. (1) chemisorption of a CO molecule, its surface migration and possible desorption

2. (2) physisorption of an O₂ molecule to a precursor state and its subsequent dissociative chemisorption

3. (3) activated reaction of adsorbed O and CO (the Langmuir - Hinshelwood reaction mechanism), formation of CO₂ and its rapid desorption.

The changes in the activation energy of reaction and in the adsorption energy of CO resulting from the interactions between adsorbed species are also considered. The model makes possible to monitor temperature programmed reaction spectra or reaction spectra obtained during changes of the ratio of the partial pressures of CO and O₂. The results of simulations for a Pd(111) single-crystal plane are compared with experiment.     

Molecular Dissociation on the SiC(0001) 3×3 Surface

In the framework of density functional theory, the adsorption of the halogenated polycyclic aromatic hydrocarbon 2,11‐diiodohexabenzocoronene (HBC‐I₂) on the SiC(0001) 3×3 surface has been investigated. Nondissociative and dissociative molecular adsorption is considered, and simulated scanning tunneling microscopy (STM) images are compared with the corresponding experimental observations. Calculations show that dissociative adsorption is favorable and reveal the crucial importance of the extended flat carbon core on molecule–surface interactions in dissociative adsorption; the iodine atom–surface interaction is of minor importance. Indeed, removing iodine atoms does not significantly affect the STM images of the central part of the molecule. This study shows that the dissociation of large halogenated polycyclic aromatic hydrocarbon molecules can occur on the SiC surface. This opens up interesting perspectives in the chemical reactivity and functionalization of wide band gap semiconductors.     

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。     

Measurements of thermal energy neon ion—neutral reaction rate coefficients and product ion distributions

Reaction rate coefficients and product ion distributions have been measured for the reaction of Ne⁺ with H₂, N₂, CO, CO₂, N₂O, CH₄, O₂, NO, NH₃, SO₂, CH₃Cl, COS, H₂O and C₂H₄ at 300 K using a selected ion flow tube (SIFT) apparatus. In most cases the major reaction channel involves dissociative ionization while for N₂, CO⁺, H₂O, CH₄ and CH₃Cl these reactions proceed mainly or exclusively by simple charge transfer. For H₂ the process is exclusively hydrogen atom abstraction. The measured rate coefficients are compared with the values given by the Langevin and average-dipole orientation theories of ion—molecule collisions. In general the reaction probability (ratio of measured rate to the Langevin or ADO rate) is greater for the dissociative ionizaton reactions, although H₂O is an exception with quite fast simple charge transfer.     

Low-temperature hydrogenation of maleic anhydride to succinic anhydride and γ-butyrolactone over pseudo-boehmite derived alumina supported metal(metal = Cu,Co and Ni) catalysts

The pseudo-boehmite derived alumina supported metal(Cu,Co and Ni) catalysts prepared by the impregnation method were investigated in hydrogenation of maleic anhydride(MA) to succinic anhydride(SA) and γ-butyrolactone.The catalysts were characterized by ICP-AES,N_2 adsorptiondesorption,XRD,H_2-TPR,CO-TPD,dissociative N_2O adsorption and TEM and the results showed that the alumina possessed mesoporous feature and the metal species were well dispersed on the support.Compared to Cu/Al_2O_3 and Co/Al_2O_3,Ni/Al_2O_3 exhibited higher catalytic activity in the MA hydrogenation with 92%selectivity to SA and nearly 100%conversion of MA at 140 °C under 0.5 MPa of H_2 with a weighted hourly space velocity of 2 h ~1(MA).The stability of Ni/Al_2O_3 catalyst was also investigated.     

Ni/MgO/Al2O3催化剂上以1-甲基萘为模型化合物高温焦炉煤气焦油的催化转化

采用共浸渍薄水铝石(AlOOH)方法制备了一系列Ni/MgO/Al₂O₃催化剂, 并采用N₂气吸附及Ｘ射线衍射等手段进行了表征. 选择1-甲基萘作为焦油模型化合物, 研究了该催化剂催化转化具有较低水蒸气/碳摩尔比(n_H2O/n_C) 的高温焦炉煤气(COG)中焦油催化反应性能. 考察了催化剂中MgO含量及反应条件等对催化剂性能的影响. 实验结果表明, 在775 ℃和n_H2O/n_C=0.7条件下, MgO改性的Ni/MgO/Al₂O₃催化剂对1-甲基萘催化转化为小分子气体反应具有较好的催化活性和稳定性; 热重分析表明, MgO的加入能显著提高催化剂的抗积炭能力. 在Ni/MgO/Al₂O₃催化剂上, 反应气中高浓度H₂S气体(0.25%, 体积分数)能够促进焦油催化转化为小分子气体, 这可能是由于H₂S在Ni表面的可逆吸附形成更适合于重整反应的活性位, 同时抑制了烷烃裂解吸附形成的碳在金属中的溶解、扩散并最终形成积炭过程.