单原子催化剂M1/FeOx(M=Pt,Fe)的理论研究:CO氧化反应

负载型纳米贵金属催化剂是用于多相催化反应的重要的催化剂之一,也是各国催化科学与技术研发的重点,其工业应用也越来越广泛.理论和实验的研究结果均表明,当载体表面的金属粒子尺寸减小至亚纳米级乃至更小的低配位、不饱和的原子团簇时,它们常常成为诱发催化反应的活性中心,呈现更高的催化活性和选择性.将负载的金属尺寸由纳米量级减小至分散的金属团簇甚至单原子而使每个原子成为反应的活性位点已成为研究的重点.最近,由张涛等首次合成的单原子催化剂(SAC)Pt1/FeOx引起了国内外催化及表面科学工作者的极大关注.单原子催化剂作为连接均相催化剂和多相催化剂的桥梁,不仅具有非均相催化剂的稳定、易于与反应体系分离、易表征等优点,而且具有均相催化剂活性中心结构均一、活性中心原子利用率百分之百等优点.一方面,单原子催化剂给多相催化领域注入了新的活力,另一方面也更有利于运用量子与计算化学的研究方法建立与实验相匹配的理论模型并从原子水平上进一步理解多相催化反应的微观作用机理.实验和理论的研究结果表明,其它单原子催化剂如Ir1/FeOx,Au1/FeOx和Ni1/FeOx催化CO氧化反应表现出不同的活性.然而,底物FeOx中的Fe同样是第VIII族中的3d过渡金属,却在低温下对CO氧化反应没有催化活性.我们围绕这一问题,重点研究了底物FeOx在负载单原子Pt1前后催化CO氧化的反应机理和活性,解释了单原子催化剂Pt1/FeOx相比于底物FeOx为何具有如此高的催化活性的原因.我们采用Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)从头算模拟软件和密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)进行了理论计算.其中,选择PBE泛函描述体系的交换关联相互作用,用投影缀加波(PAW)赝势基组方法描述体系中的电子和离子实之间的相互作用,对Fe原子采用了DFT+U方法进行d电子强相关校正,并使用Dimer计算方法搜寻反应过渡态.研究结果表明,底物FeOx中氧空位的再生伴随第二个CO2分子从催化剂表面脱附的过程需要较高的活化势垒(1.09 eV),这一过程是整个CO氧化反应的决速步.与此相比较,Pt1/FeOx催化剂中,由于Pt原子代替了表面Fe原子,导致电子结构及性质的显著变化,有利于CO的活化、氧化和CO2的脱附.我们从电子能量态密度(DOS)和Bader电荷分析及模型分子团簇的轨道相互作用的角度进一步分析了两种催化剂存在差异的本质;揭示了单原子催化剂Pt1/FeOx中Pt1和底物FeOx之间的相互作用的机理及催化剂表面Pt单原子在催化反应过程中的关键作用.     

包含两个平面五配位碳原子C2＋nB10－n (n＝0～10)团簇的结构的理论研究

采用B3LYP/6-311＋G**方法, 我们优化了初始构型中包含两个平面五配位碳原子(ppCs)的C_{2＋nB10－n (n＝0～10)团簇的结构并计算了它们的振动频率. 计算结果表明, C2＋nB10－n (n＝0～2)团簇是稳定的, 而且这三个结构中ppC—B键的Wiberg键级介于0.511～0.909之间, ppC—C键的Wiberg键级为0.2254 (n＝1)和0.8586 (n＝2), ppC的键级介于3.778到3.879之间, 即这三个结构中存在两个ppCs, 而且ppC遵循八隅规则; C2＋nB10－n (n＝3～6)团簇的最稳定结构包含一个ppC; C2＋nB10－n (n＞6)团簇能量最低结构中不存在ppC. 而且只有团簇C2＋nB10－n (n＝0～2)中没有悬键, 它们的(电子数分别为: 6, 7和8, 计算它们的NICS(0)值表明强芳香性一般位于局部的三元环中心, 表明局部离域有利于平面结构的形成. C2＋nB10－n (n＝0～2)团簇的第一垂直激发能分别为: 1.91, 0.56和3.12 eV.}     

包含平面四配位和五配位碳原子的特殊硼碳化合物

采用密度泛函理论(DFT), 在B3LYP/6-311+G**水平上, 研究了三类包含平面四配位碳原子(ptC)和平面五配位碳原子(ppC)的硼碳化合物. 这三类新型化合物是由C3B2H4(包含ptC)、CB4H2(包含ptC)和CB5H2(包含ppC)三种稳定结构和—CHCH—单元连接起来而得到的. 在理论上探讨了这些新型的硼碳化合物的成键特征, 光谱性质以及芳香性. 研究结果表明: 包含ptC和ppC原子的能量最低的结构, 在不受对称面限制的条件下, 具有C2v对称性的顺式立体构型比具有反式平面构型的化合物稳定. 计算的核独立化学位移(NICS)显示, 这些新型化合物的三元环中心有强的芳香性. 计算最稳定硼碳化合物的ptC和ppC原子的Wiberg键指数(WBIs)表明ptC和ppC的成键遵循八隅规则.     

包含两个平面五配位碳原子C_(2+n)B_(10-n)(n=0～10)团簇的结构的理论研究

采用B3LYP/6-311+G**方法,我们优化了初始构型中包含两个平面五配位碳原子(ppCs)的C2+nB10-n(n=0～10)团簇的结构并计算了它们的振动频率.计算结果表明,C2+nB10-n(n=0～2)团簇是稳定的,而且这三个结构中ppC—B键的Wiberg键级介于0.511～0.909之间,ppC—C键的Wiberg键级为0.2254(n=1)和0.8586(n=2),ppC的键级介于3.778到3.879之间,即这三个结构中存在两个ppCs,而且ppC遵循八隅规则;C2+nB10-n(n=3～6)团簇的最稳定结构包含一个ppC;C2+nB10-n(n6)团簇能量最低结构中不存在ppC.而且只有团簇C2+nB10-n(n=0～2)中没有悬键,它们的π电子数分别为:6,7和8,计算它们的NICS(0)值表明强芳香性一般位于局部的三元环中心,表明局部离域有利于平面结构的形成.C2+nB10-n(n=0～2)团簇的第一垂直激发能分别为:1.91,0.56和3.12eV.