氧在CuCl(111)表面吸附的密度泛函理论研究

运用广义梯度密度泛函理论的PW91方法结合周期平板模型,在DNP基组下研究了氧分子和氧原子在CuCl(111)表面上的吸附.对氧分子在CuCl(111)表面吸附的相关计算和比较发现,覆盖度为0.25单层时的吸附构型为稳定的吸附构型,氧分子倾斜地吸附在CuCl(111)表面的顶位时比较稳定,吸附后O2分子的伸缩振动频率与自由O2分子相比发生了红移.态密度和Mulliken电荷布居分析结果表明,整个吸附体系发生了由Cu原子向O2分子的电荷转移.氧原子在CuCl(111)表面吸附的计算结果表明,氧原子倾向于以穴位(hollow)吸附在CuCl(111)表面,通过Mulliken电荷布居和态密度分析对氧原子在CuCl表面的吸附行为作了进一步探讨.     

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。     

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.     

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.     

α-Fe2O3、γ-Al2O3、SiO2混合体系的表面配位反应

运用自动电位滴定技术分别研究了纳米α-Fe₂O₃、γ-Al₂O₃、SiO₂单一体系及三组分混合体系中氧化物表面的酸碱性质和对重金属离子Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺的吸附行为. 依据表面配位理论恒电容模式(CCM), 计算了相应的表面酸碱配位常数. 结果表明: α-Fe₂O₃/γ-Al₂O₃/SiO₂三组分混合体系的表面化学反应并非是单一体系的简单叠加, 而是存在着不同矿物表面间复杂的交互作用. 三组分表面酸碱反应平衡式和相应的酸碱反应平衡常数分别为: ≡XOH₂⁺?≡XOH+H⁺ (lgK_a1=-4.23), ≡XOH?≡XO^-+H⁺(lgK_a2=-8.41). 根据重金属离子Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺在α-Fe₂O₃/γ-Al₂O₃/SiO₂混合体系表面的吸附行为, 计算得到Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺在混合体系表面配位反应及其平衡常数如下: ≡XOH＋M²⁺?≡XOM⁺+H⁺; lgK=-2.20, -1.90, -3.20 (M=Cu, Pb, Zn).     

N-苯基亚氨基二乙酸桥联的双核铜配合物的合成、表征与晶体结构

由Cu(Ⅱ)、2，2′-联吡啶(邻菲咯啉)与N-苯基亚氨基二乙酸在溶液中组装得到2个双核配合物[Cu₂(L)₂(2，2′-bipy)₂]·8H₂O (1)、[Cu₂(L)₂(phen)₂]·2H₂O (2)(H₂L=N-苯基亚氨基二乙酸，2，2′-bipy=2，2′-联吡啶，phen=邻菲咯啉)。用元素分析、红外光谱、热重分析等进行了表征，并测定了其晶体结构。晶体结构表明，配合物1的晶体属三斜晶系，空间群P1;配合物2的晶体属单斜晶系，空间群P2₁/c。在这2个双核配合物中，中心铜离子的配位形式均为五配位的畸变四方锥构型，配体L中的N原子没有参与配位，而是采用1个羧基的1个氧原子与Cu²⁺离子螯合、另1个羧基上的1个氧原子以μ₂-桥联的配位模式连接2个Cu²⁺离子。     

ZnSe掺Cu与Zn空位缺陷的稳定性、电子结构与光学性质

采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软雁势方法, 对ZnSe闪锌矿结构本体、掺入p型杂质Cu(Zn_0.875Cu_0.125Se)及Zn空位(Zn_0.875Se)超晶胞进行结构优化处理. 计算并详细分析了缺陷体系的形成能和三种体系下ZnSe材料的态密度、能带结构、集居数、介电和吸收光谱. 结果表明: 在Zn空位与Cu掺杂ZnSe体系中, 由于空位及杂质能级的引入, 禁带宽度有所减小, 吸收光谱产生红移; 单空位缺陷结构不易形成, Zn_0.875Se结构不稳定, Cu掺杂ZnSe结构相对更稳定.     

预处理气氛对CuO/CeO2/γ-Al2O3催化剂表面性质及“NO+CO”反应性能的影响

用不同的预处理气氛制备了CeO₂/γ-Al₂O₃载体以调节表面Ce的价态,并以Cu(CH₃COO)₂为前驱体制备了CuCeAl催化剂。XRD和H₂-TPR的结果表明在还原气氛下处理的CeO₂/γ-Al₂O₃载体具有更多的活性氧原子,因此相应的CuCeAl催化剂表面有更多分散态的Cu²⁺/Cu⁺物种。NO+CO反应的结果表明分散态的Cu²⁺/Cu⁺是NO转化的活性物质,而Cu⁰在低温下具有较好的N₂选择性。因此,同时含有分散态Cu²⁺/Cu⁺和少量晶相Cu⁰的催化剂具有最好的催化性能。     

邻苯二甲酸单甲酯双核铜配合物的强反铁磁性和磁构关联研究

以邻苯二甲酸单甲酯(mMP)为配体合成了一个新的双核铜配位化合物[Cu₂(mMP)₂(H₂O)₂]₂·2H₂O (1), 并通过元素分析、红外光谱和X射线单晶衍射等方法对化合物晶体结构进行了表征. 化合物1通过四羧酸桥联的方式形成了桨轮状双金属笼结构. 每个Cu(II)离子采用四方单锥的五配位构型, 其中四个氧原子来自于四个不同的邻苯二甲酸单甲酯配体, 轴向位置上的氧原子则来自于水分子. 配位水分子和溶剂水分子与配体中未配位的氧原子形成了分子间氢键, 并进一步形成三维网络结构. 磁性数据显示双核铜内为强的反铁磁交换作用, 磁耦合作用常数2J=-324 cm^-1. 通过与相关双核铜化合物的对比, 详细分析了化合物的磁构关联并讨论了羧酸类双核铜中强反铁磁性作用的结构因素. 研究表明, 影响羧酸类双核铜强反铁磁性作用的主要结构因素是配体中桥联双核铜的O－C－O部分的电子结构.     

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.     

水在HfO2(111)和(110)表面的吸附与解离

运用广义梯度近似密度泛函理论方法(GGA-PW91)结合周期平板模型, 研究水分子在二氧化铪(111)和(110)表面不同吸附位置在不同覆盖度下的吸附行为. 通过比较不同吸附位的吸附能和几何构型参数发现:(111)和(110)表面铪原子(top 位)是活性吸附位. 水分子与表面的吸附能值随覆盖度的变化影响较小. 在(111)和(110)表面, 水分子都倾向以氧端与表面铪原子相互作用. 同时也计算了羟基、氧和氢在表面的吸附, Mulliken 电荷布居, 态密度及部分频率. 结果表明, 在两种表面羟基以氧端与表面铪相互作用, 氧原子与表面铪和氧原子同时成键, 而氢原子直接与表面氧原子相互作用形成羟基. 通过过渡态搜索, 水分子在(111)和(110)表面发生解离, 反应能垒分别为9.7和17.3 kJ·mol^-1, 且放热为59.9和47.6 kJ·mol^-1.     

Mechanism of CO Oxidation on Cu2O (111) Surface: A DFT and Microkinetic Study

Catalytic oxidation has been recognized as one of the most efficient and promising techniques for the abatement of CO and volatile organic compounds. In the present work, the CO oxidation mechanism on perfect Cu₂O (111) surface was investigated by using density functional theory (DFT) calculations with the periodic surface model. The unsaturated singly coordinated Cu⁺ site of Cu₂O (111) surface could effectively adsorb gaseous CO molecule with a strong adsorption energy of −1.558 eV. The adsorbed O on Cu₂O (111) surface is very active toward CO oxidation with only 0.269 eV energy barrier. The reaction between CO and lattice O is the rate‐determining step of Mars‐van‐Krevelen (MvK) type CO oxidation with the energy barrier of 1.629 eV. The CO oxidation cycle initiated by the reaction between coadsorbed CO and O₂ at the Cu_I site has a relatively lower energy barrier of 1.082 eV and is, therefore, more likely to proceed compared with the MvK cycle. Microkinetic rate constants of elementary reaction steps based on the transition state theory were deduced, which could be helpful in the kinetic modeling of CO oxidation on Cu₂O surface.     

CuO/Ti0.5Zr0.5O2催化剂对NO+CO反应的催化作用

环境治理是当今社会面临的一大主要问题。目前,城市空气污染日趋严重,特别是工厂和汽车排放的大量未燃烧的烃类、CO、NOx是主要的空气污染物。其中,氮氧化物(NOx)排放状况尤其严重,它的排放会给环境和人们生活带来严重危害,因此,如何有效地消除NOx已成为目前环境保护中一个非常     

MnO2上氧气第一个电子转移步骤的从头计算研究

采用裸露簇和嵌入簇模型, 对β-MnO₂ (001), (110), (111)三个晶面以及O₂在(110)晶面的单址吸附模式(Pauling和Griffths模式), 进行从头计算. 从β-MnO₂ (001), (110), (111)三个晶面的电子结构差异以及O₂在(110)晶面吸附的吸附能、几何结构、集居数以及净电荷数分析得到: (001), (110), (111)三个晶面中(110)晶面的催化活性最高, 其活性顺序为(110)＞(111)＞(001). 氧气在(110)晶面的吸附, Pauling和Griffths两种吸附模式均存在, 属于化学吸附中的离子吸附. 氧气与MnO₂固体间发生了单电子转移, 氧气得到电子被还原成O₂^-, 转移电子属于整个体系, 具有离域性.     

First-principles study of O2 adsorption and dissociation on the CuCr2O4 (100) surface

The adsorption and dissociation of molecular oxygen on spinel CuCr₂O₄ (100) surface were carried out by first-principles calculations based on density functional theory (DFT). The calculated results indicate that the Cr site is most favorable for atomic oxygen adsorption, with an adsorption energy of 402.8 kJ/mol. For molecular oxygen adsorption, there are three types of favorable interaction modes: O₂ forms bonds with the Cu site or O₂ binds to two Cr sites or O₂ interacts with both Cu and Cr sites simultaneously. The lowest activation energy (E_a = 35.4 kJ/mol) was found through exploring possible reaction pathways for O₂ dissociation. The relationship between E_a and reaction enthalpy (ΔH) for O₂ dissociation adsorption reactions fits Brønsted-Evans-Polanyi (BEP) behavior.     

NO在Mn_2O_3(110)表面吸附的密度泛函理论研究

基于第一性原理密度泛函计算方法研究了NO在Mn_2O_3(110)面的吸附行为,计算了Mn_2O_3(110)面吸附NO和O_2的吸附构型的结构参数、吸附能和电子结构.结果表明,在Mn_2O_3(110)表面上,NO倾向于吸附在Mn top位,吸附前后的结构总能变化在-0.61~-1.29 eV之间,NO吸附后Mn吸附位周围的配位结构发生变化,使得Mn的电子向NO转移.进一步研究了吸附O_2后的Mn_2O_3表面再进一步吸附NO的行为,发现了ONOO*结构的形成.NO和O_2在表面共吸附形成ONOO*结构时的吸附能(-1.23和-1.39 eV)高于单纯吸附NO时的吸附能,此时Mn的电子向ONOO*结构转移,NO和O_2投影态密度的电子峰广泛交叠,说明成键原子之间有强共价键作用.     

α-Fe2O3/SiO2纳米颗粒混合体系表面的酸碱性质及其对重金属离子的吸附行为

以Fe(NO₃)₃·9H₂O和正硅酸乙酯(TEOS)为原料, 通过溶胶-凝胶法和辅助模板法分别制备了纳米α-Fe₂O₃和SiO₂, 并对所合成样品进行了粉末X射线衍射(XRD)和BET表征. 使用自动电位滴定仪测定了α-Fe₂O₃/SiO₂纳米颗粒混合体系的表面酸碱性质. 研究了在不同pH下α-Fe₂O₃/SiO₂混合体系对Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺离子的吸附行为. 基于上述实验数据, 用WinSGW软件计算了α-Fe₂O₃/SiO₂混合体系表面酸碱配位常数, 并得出结论: α-Fe₂O₃/SiO₂混合体系表面反应为单一脱质子反应≡XOH ⇔ ≡XO^-+ H⁺(lg K = -8.19±0.15), 明显区别于同时具有加质子和脱质子反应的α-Fe₂O₃/SiO₂/γ-Al₂O₃, α-Fe₂O₃/γ-Al₂O₃和SiO₂/γ-Al₂O₃等纳米颗粒混合体系. 在此基础上拟合得到α-Fe₂O₃/SiO₂混合体系吸附重金属离子Cu²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺的表面络合反应平衡常数分别为:
≡XOH + M²⁺ ⇔ ≡XOM⁺+ H⁺ [lg K = -3.1, -3.6, -3.8 (M = Cu, Pb, Zn)].
≡XOH＋M²⁺＋H₂O ⇔≡XOMOH＋2H⁺[lg K = -8.8, -8.0, -10.5 (M = Cu, Pb, Zn)]     

Synthesis, structure and electrical properties of Cu3.21Ti1.16Nb2.63O12 and the CuOx-TiO2-Nb2O5 pseudoternary phase diagram

Subsolidus phase relations in the CuO_x-TiO₂-Nb₂O₅ system were determined at 935 °C. The phase diagram contains one new phase, Cu_3.21Ti_1.16Nb_2.63O₁₂ (CTNO) and one rutile-structured solid solution series, Ti_1−3xCu_xNb_2xO₂: 0<x<0.2335 (35). The crystal structure of CTNO is similar to that of CaCu₃Ti₄O₁₂ (CCTO) with square planar Cu²⁺ but with A site vacancies and a disordered mixture of Cu⁺, Ti⁴⁺ and Nb⁵⁺ on the octahedral sites. It is a modest semiconductor with relative permittivity ∼63 and displays non-Arrhenius conductivity behavior that is essentially temperature-independent at the lowest temperatures.     

TPR investigations on the reducibility of Cu supported on Al2O3, zeolite Y and SAPO-5

Reducibility of Cu supported on Al₂O₃, zeolite Y and silicoaluminophosphate SAPO-5 has been investigated in dependence on the Cu content using a method combining conventional temperature programmed reduction (TPR) by hydrogen with reoxidation in N₂O followed by a second the so-called surface-TPR (s-TPR). The method enables discrimination and a quantitative estimation of the Cu oxidation states +2, +1 and 0. The quantitative results show that the initial oxidation state of Cu after calcination in air at 400 °C, independent on the nature of the support, is predominantly +2. Cu²⁺ supported on Al₂O₃ is quantitatively reduced by hydrogen to metallic Cu⁰. Comparing the TPR of the samples calcined in air and that of samples additionally pre-treated in argon reveals that in zeolite Y and SAPO-5 Cu²⁺ cations are stabilized as weakly and strongly forms. In both systems, strongly stabilized Cu²⁺ ions are not auto-reduced by pre-treatment in argon at 650 °C, but are reduced in hydrogen to form Cu⁺. The weakly stabilized Cu²⁺ ions, in contrast, may be auto-reduced by pre-treatment in argon at 650 °C forming Cu⁺ but are reduced in hydrogen to metallic Cu⁰.     

Cu2O/g-C3N4催化合成吲哚-2-羧酸酯

我们通过原位还原的方法将吸附在g-C3N4表面上Cu2+还原,制备出Cu2O/g-C3N4复合材料,并利用XRD、SEM、FT-IR、XPS等分析手段表征Cu2O/g-C3N4.表征结果显示:Cu元素主要以Cu2O的形式吸附在g-C3N4载体上.另外,还考察了Cu2O/g-C3 N4在“一锅法”合成吲哚-2-甲酸乙酯的反应中的催化性能.结果表明:即使在较低的催化担载量和温和的反应条件下,Cu2O/g-C3 N4仍能表现出良好的催化性能并获得44.1％的收率.