甲醇在Pt-Fe(111)/C表面吸附的理论研究

采用密度泛函理论和周期平板模型相结合的方法, 对CH3OH分子在Pt-Fe(111)/C表面top, fcc, hcp和bridge位的吸附模型进行了构型优化、能量计算, 结果表明bridge位是较有利的吸附位. 掺杂后费米能级的位置发生了右移, 价带和导带均增宽, 极利于电子-空穴的迁移, 这对提高催化活性是非常有利的. 考察抗中毒性发现: CO在Pt(111)/C面上的吸附能比甲醇吸附能要高, CO在Pt-Fe(111)/C的吸附能比甲醇吸附能要低, 可说明CO在Pt(111)/C面上有中毒效应, 而Pt-Fe(111)/C的抗CO中毒能力增强, 是催化氧化甲醇良好的催化剂.     

甲氧基在Rh(111)表面吸附的密度泛函研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,以原子簇Rh13(9,4)为模拟表面,在6-31G(d,p)与Lanl2dz基组水平上,对甲氧基在Rh(111)表面的四种吸附位置(fcc、hcp、top、bridge)的吸附模型进行了几何优化、能量计算、Mulliken电荷布局分析以及前线轨道的计算。结果表明,当甲氧基通过氧与金属表面相互作用时,在bridge位的吸附能最大,吸附体系最稳定,在top位转移的电子数最多;吸附于Rh(111)面的过程中C—O键被活化,C—O键的振动频率发生红移。     

乙烷在Ni(111)表面的吸附和分解

研究了乙烷在Ni(111)表面解离的可能反应机理, 使用完全线性同步和二次同步变换(complete LST/QST)方法确定解离反应的过渡态. 采用基于第一性原理的密度泛函理论与周期平板模型相结合的方法, 优化了C2H6裂解反应过程中各物种在Ni(111)表面的top, fcc, hcp和bridge位的吸附模型, 计算了能量, 并对布居电荷进行分析, 得到了各物种的有利吸附位. 结果表明, 乙烷在Ni(111)表面C—C解离的速控步骤活化能为257.9 kJ·mol-1, 而C—H解离速控步骤活化能为159.8 kJ·mol-1, 故C—H键解离过程占优势, 主要产物是C2H4和H2.     

CO在Pt(111)和Pt-M(111)(M=Ni,Mg)表面吸附的理论研究

采用密度泛函理论与周期性平板模型相结合的方法,对CO在Pt(111)表面top,fcc,hcp和bridge 4个吸附位和Pt-M(111)(M=Ni,Mg)表面h-top,M-top,Pt(M)Pt-bridge,Pt(M)M-bridge,Pt(Pt)M-bridge,M(Pt)M-bridge,Pt1M2-hcp...     

甲醇在Ru(0001)表面吸附的密度泛函研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,以原子簇Ru15为模拟表面,对甲醇在理想的Ru(0001)面三种吸附位置(top,fcc,hcp)的吸附模型进行了几何构型优化,能量计算,Mu lliken布局分析以及振动频率计算,结果表明顶位为最有利的吸附位.这些变化与实验观察到的甲醇在过渡金属表面解离的结果相一致.同时通过对吸附过程的分析推测其可能的解离途径.     

Au(111)面甲烷硫醇吸附的密度泛函理论研究

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Au(111)表面的吸附构型和电子结构. 系统地计算了S原子在不同位置以不同方式吸附的系列构型, 计算结果表明, CH₃SH分子倾向于吸附在top位上, S-C键相对于Au表面法线的夹角为62°～78°|而S-H键断裂后CH₃S_H则倾向于吸附在bri-fcc位上, S-C键相对于Au(111)表面法线的夹角为49°～57°. 比较分析CH₃SH分子和CH₃S_H的吸附, 发现CH₃SH分子倾向于不解离吸附, 表面温度的提升和缺陷的出现可能促使S-H键的断裂. 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S-H键未断裂时S原子和表面的键合. 扫描隧道显微镜(STM)图像模拟显示了CH₃SH和CH₃S_H在Au(111)表面吸附的3个典型的STM图像.     

水分子在立方ZrO2（110）面吸附与解离的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论巾的广义梯度近似(GGA)的PW91方法结合周期性平板模型,研究了H2O,OH和O在立方ZrO2(110)面上不同吸附位的吸附.结果表明,在bridge位H2O以垂直底物甲面氢原子向上模式吸附在立方ZrO2(110)而时发牛解离形成表面羟基,吸附能为150.5 kJ/mo1.而在top位H2O以垂直底物平面氢原子向下模式吸附为物理吸附,吸附能为14.8 kJ/mo1.OH和O在立方ZrO2(110)面的最佳吸附位是top位,其吸附能分别为241.5和209.1 kJ/mo1.同时分析了Mulliken布居、态密度和伸缩振动频率.     

CO和H2分子在Cu(111)面的吸附和溶剂化效应

采用广义梯度近似(GGA)密度泛函理论(DFT)的PW91方法结合周期性模型, 在DNP基组下, 利用Dmol3模块研究了CO和H2在真空和液体石蜡环境下在Cu(111)表面上不同位置的吸附. 计算结果表明, 溶剂化效应对H2和CO的吸附结构参数和吸附能的影响非常显著. 在液体石蜡环境下, H2平行吸附在Cu(111)表面是解离吸附, 而CO 和H2在两种环境下的垂直吸附都是非解离吸附. 相比真空环境吸附, 在液体石蜡环境中, Cu(111)吸附CO时, 溶剂化效应能够提高CO吸附的稳定性, 同时有利于CO的活化. 在真空中, H2只能以垂直方式或接近垂直方式吸附在Cu(111)表面. 当Cu(111)顶位垂直吸附H2, 相比真空环境吸附, 溶剂化效应能够提高H2吸附的稳定性, 但对H2的活化没有明显影响. Cu(111)表面的桥位或三重穴位(hcp和fcc)垂直吸附H2时, 溶剂化效应能明显提高H2的活化程度, 但降低H2的吸附稳定性; 在液体石蜡中, 当H2平行Cu(111)表面吸附时, 溶剂化效应使H—H键断裂, 一个H原子吸附在fcc位, 另一个吸附在hcp位.     

甲酸在Pt-Sn(111)/C合金表面吸附的量子化学研究

采用周期平板模型, 结合密度泛函理论对HCOOH和CO在Pt-Sn(111)/C表面的top、brigde、hcp和fcc共计8个位点的吸附模型进行构型优化和能量计算, 并对吸附前后的频率、电荷、能带和态密度进行了研究. 计算结果表明fcc-Pt₃是较为有利的吸附位点, Sn掺杂之后费米能级右移, 导带增宽, 价带和导带的位置略微降低, 合金表面电子结构变化利于甲酸的吸附解离催化, 可使甲酸燃料电池阳极催化性能显著提高. 通过催化剂表面的抗中毒分析, 发现CO在Pt-Sn(111)/C表面的吸附能以两种趋势下降, 阳极催化剂掺杂改性后抗CO中毒能力增强.     

甲酸在Au（997）台阶表面的氧化反应

金催化是纳米催化的代表性体系之一,但对金催化作用的理解还存在争议,特别是金颗粒尺寸对其催化作用的影响.金颗粒尺寸减小导致的表面结构主要变化之一是表面配位不饱和金原子密度的增加,因此研究金原子配位结构对其催化作用的影响对于理解金催化作用尺寸依赖性具有重要意义.具有不同配位结构的金颗粒表面可以利用金台阶单晶表面来模拟.我们研究组以同时具有Au(111)平台和Au(111)台阶的Au(997)台阶表面为模型表面,发现Au(111)台阶原子在CO氧化、NO氧化和NO分解反应中表现出与Au(111)平台原子不同的催化性能.负载型Au颗粒催化甲酸氧化反应是重要的Au催化反应之一.本文利用程序升温脱附/反应谱(TDS/TPRS)和X射线光电子能谱(XPS)研究了甲酸在清洁的和原子氧覆盖的Au(997)表面的吸附和氧化反应,观察到Au(111)台阶原子和Au(111)平台原子不同的催化甲酸根氧化反应行为.与甲酸根强相互作用的Au(111)台阶原子表现出比与甲酸根弱相互作用的Au(111)平台原子更高的催化甲酸根与原子氧发生氧化反应的反应活化能.在清洁Au(997)表面,甲酸分子发生可逆的分子吸附和脱附.甲酸分子在Au(111)台阶原子的吸附强于在Au(111)平台原子的吸附. TDS结果表明,吸附在Au(111)台阶原子的甲酸分子的脱附温度在190 K,吸附在Au(111)平台原子的甲酸分子的
　　脱附温度在170 K. XPS结果表明,分子吸附甲酸的C 1s和O 1s结合能分别位于289.1和532.8 eV.利用多层NO2的分解反应在Au(997)表面控制制备具有不同原子氧吸附位和覆盖度的原子氧覆盖Au(997)表面,包括氧原子吸附在(111)台阶位的0.02 ML-O(a)/Au(997)、氧原子同时吸附在(111)台阶位和(111)平台位的0.12 ML-O(a)/Au(997)、氧原子和氧岛吸附在(111)平台位和氧原子吸附在(111)台阶位的0.26 ML-O(a)/Au(997). TPRS和XPS结果表明,甲酸分子在105 K与Au(997)表面原子氧物种反应生成甲酸根和羟基物种,但甲酸根物种的进一步氧化反应依赖于Au原子配位结构和各种表面物种的相对覆盖度.在0.02 ML-O(a)/Au(997)表面暴露0.5 L甲酸时, Au(111)台阶位氧原子完全反应,甲酸过量.表面物种是Au(111)台阶位吸附的甲酸根、羟基和甲酸分子.在加热过程中,甲酸分子与羟基在181 K反应生成甲酸根和气相水分子(HCOOH(a)+ OH(a)= H2O + HCOO(a)),甲酸根在340 K发生歧化反应生成气相HCOOH和CO2分子(2HCOO(a)= CO2+ HCOOH).在0.12 ML-O(a)/Au(997)和0.26 ML-O(a)/Au(997)表面暴露0.5 L甲酸时,甲酸分子完全反应,原子氧过量.表面物种是Au(111)平台位和Au(111)台阶位吸附的甲酸根、羟基和原子氧.在加热过程中, Au(111)平台位和Au(111)台阶位的甲酸根分别在309和340 K同时发生氧化反应(HCOO(a)+ O(a)= H2O + CO2)和歧化反应(2HCOO(a)= CO2+ HCOOH)生成气相CO2, H2O和HCOOH分子.在0.26 ML-O(a)/Au(997)表面暴露10 L甲酸时,甲酸分子和原子氧均未完全消耗.表面物种是Au(111)平台位和Au(111)台阶位吸附的甲酸根、羟基、甲酸分子和原子氧.在加热过程中,除了上述甲酸根的氧化反应和歧化反应,还发生171 K的甲酸分子与羟基的反应(HCOOH(a)+ OH(a)= H2O + HCOO(a))和216 K的羟基并和反应(OH(a)+ OH(a)= H2O + O(a)).     

甲醇和甲氧基在Cu(111)表面吸附的第一性原理研究

Adsorption of methanol and methoxy at four selected sites(top,bridge,hcp,fcc)on Cu(111)surface has beeninvestigated by density functional theory method at the generalized gradient approximation(GGA)level.The cal-culation on adsorption energies,geometry and electronic structures,Mulliken charges,and vibrational frequenciesof CH_3OH and CH_3O on clean Cu(111)surface was performed with full-geometry optimization,and compared withthe experimental data.The obtained results are in agreement with available experimental data.The most favoriteadsorption site for methanol on Cu(111)surface is the top site,where C-O axis is tilted to the surface.Moreover,the preferred adsorption site for methoxy on Cu(111)surface is the fcc site,and it adsorbs in an upright geometrywith pseudo-C_(3v) local symmetry.Possible decomposition pathways also have been investigated by transition-statesearching methods.Methoxy radical,CH_3O,was found to be the decomposition intermediate.Methanol can be ad-sorbed on the surface with its oxygen atom directly on a Cu atom,and weakly chemisorbed on Cu(111)surface.Incontrast to methanol,methoxy is strongly chemisorbed to the surface.     

A Periodic Density Functional Study on Adsorption Properties of Methoxy on Au（111） Surface

1INTRODUCTION Methoxy(CH3O)has been identified as the first intermediate in the decomposition of methanol on extensive list of clean transition metal surfaces,such as Ni(100)[1],Cu(100)[2,3],Cu(111)[4],Ag(111)[5],Au(110)[6],Pd(111)[7]and Ru(0001)[8].The electronic structure of the metal is a determining factor in OH bond scission.In fact,group IB clean surfaces have shown very low activity towards this reaction,al-though there are reports on low amounts of methoxy formed on clean Cu(…     

甲醇在Pt-Mo(111)/C表面上的吸附

采用密度泛函理论和周期平板模型相结合的方法, 对CH3OH分子在Pt-Mo(111)/C表面的顶位、穴位和桥位共计9种吸附模型进行了构型优化、能量计算和频率分析, 结果表明top-Pt位是较有利的吸附位. Mo掺杂后价带与导带位置均有不同程度的降低, 电子结构的变化使得Pt-Mo(111)/C的催化活性提高. 并且在考虑催化剂抗中毒性能时发现: CO在Pt(111)/C面上的吸附能比甲醇吸附能要高, CO在Pt-Mo(111)/C上的吸附能比甲醇的要低, 说明CO在Pt(111)/C面上的吸附会阻碍甲醇的吸附, 并影响催化过程的进行, 而Pt-Mo(111)/C的抗CO中毒化能力增强, 是催化氧化甲醇较好的催化剂.     

Theoretical Study on the Adsorption and Decomposition of Methanol over the Pt-Mo（111）/C Surface

The density functional theory(DFT) and self-consistent periodic calculation were used to investigate the methanol adsorption on the Pt-Mo(111)/C surface.The adsorption energies,equilibrium geometries and vibration frequencies of CH3OH on nine types of sites on the Pt-Mo(111)/C surface were predicted and the favorite adsorption site for methanol is the top-Pt site.Both sites of valence and conduction bands of doped system have been broadened,which are favorable for electrons to transfer to the cavity.The possible decomposition pathway was investigated with transition state searching and the calculation results indicate that the O-H bond is first broken,and then the methanol decomposes into methoxy.The activation barrier of O-H bond breaking with Pt-Mo catalyst is only 104.8 kJ mol-1,showing that carbon supported Pt-Mo alloys have promoted the decomposition of methanol.Comparing with the adsorption energies of CH3OH on the Pt(111)/C surface and that of CO,the adsorption energies of CO are higher,and Pt(111)/C is liable to be oxidized and loses the activity,which suggests that the catalyst Pt-Mo(111)/C is in favor of decomposing methanol and has better anti-poisoning ability than Pt(111)/C.     

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.     

周期性密度泛函理论研究氯气在CuCl(111)表面上的吸附与解离

运用广义梯度密度泛函理论(Generalized Gradient Approximation，GGA)的PBE(Perdew-Burke-Ernzerh)方法结合周期性平板模型，研究了氯气分子和氯原子在CuCl(111)表面上的吸附。通过对不同吸附位和不同单层覆盖度下的吸附能和几何构型参数的计算和比较发现：氯气分子在CuCl(111)表面的吸附为解离吸附；单层覆盖度为0.50时的吸附构型为稳定的吸附构型；氯气分子平行吸附在CuCl(111)表面时最稳定，吸附能最大，达364.5 kJ·mol^-1；伸缩振动频率的计算结果表明，吸附后的氯气分子的伸缩振动频率与自由氯气分子的伸缩振动频率相比，都发生了红移；布居分析结果表明整个吸附体系发生了由Cu原子向氯气分子的电荷转移。氯原子吸附的计算结果显示氯原子以穴位稳定的吸附在CuCl(111)表面。     

Density functional theory (DFT) investigation of the adsorption of the CH3OH/Au(100) system

The adsorption of methanol on flat Au (100) surface with different coverages (θ = 1.0, 0.5 and 0.25 monolayer (ML)) is studied using density functional theory. Among the three sites (top, bridge and hollow) and coverages investigated in the present work, no adsorption is stable for θ = 1.0 ML. The most energetically preferred site of adsorption for CH₃OH is found to be the hollow site for coverages of 0.25 ML and 0.50 ML. We also find that for all adsorption sites, an increase in CH₃OH coverage triggers a decrease in the adsorption energy. The geometric parameters, local density of states and work function changes are analysed in detail. The coadsorption of methoxy and hydrogen has also investigated. In addition, the dissociation of methanol on Au(100) has been studied, and an activation energy was found to be 1.72 eV. This result compare with existing data in the literature for Au(111) surface. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.