二维TiC层表面H2的化学吸附与物理吸附

第一性原理计算研究发现由于二维TiC单原子层具有高的比表面积与大量的暴露在表面的Ti原子,其是一种非常有潜力的储氢材料.计算结果显示H2可以在二维TiC单原子层表面进行物理吸附与化学吸附.其中化学吸附能为每个氢分子0.36 eV,物理吸附能是每个氢分子0.09 eV.覆盖度为1和1/4层(ML)时,H2分子在二维TiC单原子层表面的离解势垒分别为1.12和0.33 eV.因此,除了物理吸附与化学吸附,TiC表面还存在H单原子吸附.最大的H2储存率可以达到7.69％(质量分数).其中,离解的H原子、化学吸附的H2、物理吸附的H2的储存率分别为1.54％、3.07％、3.07％.符合Kubas吸附特征的储存率为3.07％.化学吸附能随覆盖度的变化非常小,这有利于H2分子的吸附与释放.     

MC与$lt;i$gt;M$lt;/i$gt;$lt;sub$gt;$lt;i$gt;n$lt;/i$gt;+1$lt;/sub$gt;$lt;i$gt;AC$lt;/i$gt;$lt;sub$gt;$lt;i$gt;n$lt;/i$gt;$lt;/sub$gt;稳定性与电子特征的第一性原理研究

研究MC与M_n+1AC_n(M=Sc, Ti, V, Cr, Mn; A=Al, Si, P, S; n=1, 2, 3)结构的稳定性与电子特征有利于探究三元层状结构M_n+1AC_n稳定性的内在原因和设计新型M_n+1AC_n结构. 第一性原理计算研究表明, M-3d与C-2p轨道间的电子转移对MC与M_n+1AC_n 的形成焓有较大影响. 供电子能力较强的前过渡金属可以形成稳定的MC结构. 计算结果显示, MC结构是缺电子体系, 其趋向于与具有一定供电子能力的MA结构结合形成M_n+1AC_n. 与M₂PC和M₂SC 相比, M₂AlC和M₂SiC可以更为容易地被分离成二维 M₂C结构. 关键词： MAX相结构 第一性原理 电子结构 过渡金属碳化物     

NiAs、PbO型FeX(X=S,Se,Te)结构的稳定性与电子特征

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,Ni As与Pb O型Fe X(X=S,Se,Te)结构的稳定性与电子特征得到了研究.计算结果显示Fe的内聚能与X-Fe元素之间的相互作用是影响Fe X结构稳定性的重要因素.当X原子半径较小、电负性较大时(X=S),Fe X趋向于形成Fe-X相互作用较强、密度较大的Ni As型结构;当X原子半径较大、电负性较小时(X=Se,Te),Fe X趋向于形成Fe-Fe相互作用较强、密度较小的Pb O型结构.此外,压强使得Pb O型Fe X结构的稳定性降低.当压强分别大于5、9 GPa时,Fe Te、Fe Se趋向于形成Ni As型结构.Pb O型Fe Se中Fe原子周围的电子密度随压强的增大而增大.     

小体系[Tin-mH2]^x（x=-1,0,＋1）的几何结构和电子性质

利用基于广义梯度近似的密度泛函理论,计算了小体系的[Tin-mH2]^x（n=2～7;m=0～22;x=-1,0,＋1）团簇.通过分析各原子的密立根占据数（Atomic Mulliken Occupation,AMO）,发现当Tin-mH2团簇带电后,团簇中电荷将重新分配,从而导致了团簇中Ti—Ti和Ti—H化学键键长发生了明显的变化,并且团簇的几何结构发生了一定的畸变.同时发现团簇Tin-mH2具有较大的电离能和电子亲和能,因此这些团簇有很强的稳定性.     

二维Ti2C与Ti3C2表面OH、O、F、Au的吸附活性

较高的比表面积与稳定性使得二维Ti₂C与Ti₃C₂结构在贵金属催化剂载体、锂离子电池、储氢材料等领域具有重要的应用前景. 研究Ti₂C、Ti₃C₂的表面吸附活性有助于认识其表面特征. 第一性原理计算研究显示:Ti₂C与Ti₃C₂对O、OH、F具有较强的吸附活性. 通过比较Ti₂C、Ti₃C₂、Ti(001)、TiC(001)的表面电子结构, 我们发现Ti₂C与Ti₃C₂较强的表面吸附活性来自于表面Ti 原子未极化的3d轨道. 这使得Ti₂C、Ti₃C₂表面通常覆盖有O、F、OH. 吸附了O、OH基团的Ti₂C与Ti₃C₂结构(Ti₂CO_2-2x(OH)_2x、Ti₃C₂O_2-2x(OH)_2x)对Au原子的吸附能随OH比例的增大而增大.     

Single boron atom anchored on graphitic carbon nitride nanosheet (B/g-C2N) as a photocatalyst for nitrogen fixation: A first-principles study

It is essential to explore high efficient catalysts for nitrogen reduction in ammonia production. Based on the first-principles calculation, we find that B/g-C₂N can serve as high performance photocatalyst in N₂ fixation, where single boron atom is anchored on the g-C₂N to form B/g-C₂N. With the introduction of B atom to g-C₂N, the energy gap reduces from 2.45 eV to 1.21 eV and shows strong absorption in the visible light region. In addition, N₂ can be efficiently reduced on B/g-C₂N through the enzymatic mechanism with low onset potential of 0.07 V and rate-determining barrier of 0.50 eV. The "acceptance-donation" interaction between B/g-C₂N and N₂ plays a key role to active N₂, and the BN₂ moiety of B/g-C₂N acts as active and transportation center. The activity originates from the strong interaction between 1π1π^* orbitals of N₂ and molecular orbitals of B/g-C₂N, the ionization of 1π orbital and the filling of 1π^* orbital can increase the N≡N bond length greatly, making the activation of N₂. Overall, this work demonstrates that B/g-C₂N is a promising photocatalyst for N₂ fixation.     

A strategy of enhancing the photoactivity of TiO2 containing nonmetal and transition metal dopants

An effective structural codoping approach is proposed to modify the photoelectrochemical （PEC） properties of anatase TiO2 by being doped with nonmetal （N or/and C） and transition metal （Re） elements. The electronic structures and for- mation energies of different doped systems are investigated using spin-polarized density functional theory. We find that （C, Re） doped TiO2, with a low formation energy and a large binding energy, reduces the band gap to a large extent, thus it could contribute to the significant enhancement of the photocatalytic activity in the visible-light region. It should be pointed out that, to be successful, the proper proportion of the dopants C and Re should be controlled, so that reasonable PEC properties can be achieved.     

二维TiC 层表面H2的化学吸附与物理吸附

第一性原理计算研究发现由于二维TiC单原子层具有高的比表面积与大量的暴露在表面的Ti原子,其是一种非常有潜力的储氢材料.计算结果显示H2可以在二维TiC单原子层表面进行物理吸附与化学吸附.其中化学吸附能为每个氢分子0.36 eV,物理吸附能是每个氢分子0.09 eV.覆盖度为1和1/4层(ML)时,H2分子在二维TiC单原子层表面的离解势垒分别为1.12和0.33 eV.因此,除了物理吸附与化学吸附,TiC表面还存在H单原子吸附.最大的H2储存率可以达到7.69%(质量分数).其中,离解的H原子、化学吸附的H2、物理吸附的H2的储存率分别为1.54%、3.07%、3.07%.符合Kubas吸附特征的储存率为3.07%.化学吸附能随覆盖度的变化非常小,这有利于H2分子的吸附与释放.     

Transition metal anchored on C9N4 as a single-atom catalyst for CO2 hydrogenation: A first-principles study

To alleviate the greenhouse effect and maintain the sustainable development, it is of great significance to find an efficient and low-cost catalyst to reduce carbon dioxide (CO₂) and generate formic acid (FA). In this work, based on the first-principles calculation, the catalytic performance of a single transition metal (TM) (TM = Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, Au, or Hg) atom anchored on C₉N₄ monolayer (TM@C₉N₄) for the hydrogenation of CO₂ to FA is calculated. The results show that single TM atom doping in C₉N₄ can form a stable TM@C₉N₄ structure, and Cu@C₉N₄ and Co@C₉N₄ show better catalytic performance in the process of CO₂ hydrogenation to FA (the corresponding maximum energy barriers are 0.41 eV and 0.43 eV, respectively). The partial density of states (PDOS), projected crystal orbital Hamilton population (pCOHP), difference charge density analysis and Bader charge analysis demonstrate that the TM atom plays an important role in the reaction. The strong interaction between the 3d orbitals of the TM atom and the non-bonding orbitals (1π_g) of CO₂ allows the reaction to proceed under mild conditions. In general, our results show that Cu@C₉N₄ and Co@C₉N₄ are a promising single-atom catalyst and can be used as the non-precious metals electrocatalyst for CO₂ hydrogenation to formic acid.     

MC与M_(n+1)AC_n稳定性与电子特征的第一性原理研究

研究M C与M n+1A C n(M=Sc,Ti,V,Cr,Mn;A=Al,Si,P,S;n=1,2,3)结构的稳定性与电子特征有利于探究三元层状结构M n+1A C n稳定性的内在原因和设计新型M n+1A C n结构.第一性原理计算研究表明,M-3d与C-2p轨道间的电子转移对M C与M n+1A C n的形成焓有较大影响.供电子能力较强的前过渡金属可以形成稳定的M C结构.计算结果显示,M C结构是缺电子体系,其趋向于与具有一定供电子能力的MA结构结合形成M n+1A C n.与M2PC和M2SC相比,M2Al C和M2Si C可以更为容易地被分离成二维M2C结构.