NO双分子和二聚体与Cu2作用的理论计算

采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法，在Lanl2DZ基组下，对NO双分子和二聚体与铜原子簇相互作用的结构进行了研究. 结果表明，NO可以在铜表面相邻的两个铜原子上形成稳定的双分子吸附和二聚体吸附，而在双分子吸附形式中NO以氮原子吸附在铜上的构型最稳定，且顶点吸附的稳定性不如非顶点吸附形式.在二聚体吸附形式中， N－N键被加强，而N－O键被削弱的程度大于双分子吸附形式，说明二聚体的形成有利于NO在金属铜表面的直接分解.同时电荷布居分析表明，单重态的二聚体与铜作用时，铜原子上的平均电荷达到0.66 e,说明在这种吸附形式中铜被离子化的倾向较大，而且这种吸附形式最有利于NO的分解.这些结果说明NO经二聚体形式在铜表面直接催化分解是可行的.     

苯分子在Cu(100)面平板模型上吸附的密度泛函理论研究

使用量子化学中的密度泛函理论和平板周期模型方法，研究了苯在Cu(100)面上的吸附方式和相对稳定性. 计算结果表明，苯在Cu(100)表面的吸附属于较强的化学作用，稳定性穴位优于桥位，顶位吸附最不稳定. 在吸附过程中，C—C键有相对大的伸长，C—H键的键长变化较小，但是偏离苯环平面，并背离固体表面，顶位则是朝向表面. 吸附过程中，发生了电子从苯向铜原子的转移.     

CO和CH3O在Cu2O(111)表面吸附特性及共吸附的理论研究

基于密度泛函理论, 采用广义梯度近似方法结合周期平板模型, 对Cu₂O(111)非极性表面上CO和CH₃O的吸附和共吸附进行了系统的研究. 计算了CO以4种吸附模式和CH₃O以O端在Cu₂O(111)表面上的吸附, 通过对不同吸附位置的吸附能、几何构型参数和Mulliken电荷的计算和比较发现, Cu₂O(111)表面上配位未饱和铜离子(Cu_CUS)为CO的活性吸附位; 配位饱和铜离子(Cu_CSA)为CH₃O的活性吸附位. CO和CH₃O吸附于Cu₂O(111)表面后, 表面弛豫现象明显改善. CO和CH₃O与Cu₂O(111)表面能够形成共吸附体系, CO和CH₃O之间的相互作用力达到75.89 kJ/mol, 为典型的化学作用, 有助于促进CO和CH₃O反应形成表面物种CH₃OCO, 计算结果与实验事实一致.     

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。     

周期性密度泛函理论研究NO在CuCl(111)表面上的吸附

运用广义梯度密度泛函理论(GGA)的RPBE方法结合周期平板模型,在DNP基组下,研究了NO以N端和O端两种吸附取向在CuCl(111)表面上的吸附.通过对不同吸附位和不同覆盖度下的吸附能和几何构型参数的计算和比较发现:NO吸附在CuCl(111)表面Cu原子上的top位时为稳定的吸附;覆盖度为0.25 mL时吸附比较稳定;NO的N端吸附比O端吸附更有利,N端吸附时为化学吸附,O端吸附时为物理吸附.布居分析结果表明整个吸附体系发生了从Cu原子向NO分子的电荷转移,且O端吸附时电荷转移更多.N端吸附和O端吸附时,N-O键的伸缩振动频率均红移,同时O端吸附时红移更多.     

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Rh(100),Rh(111)面上吸附与直接分解的密度泛函理论研究

本文应用第一性原理的密度泛函(DFT)方法,使用DMol³计算程序,对NO在Rh(100)和Rh(111)面上的吸附与分解进行量化计算,力图解决NO在Rh(100)和Rh(111)面上的优选吸附位、直接分解的过渡态和活化能等重要问题.     

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.     

丙烯腈在Cu(111)面上化学吸附的密度泛函研究及NBO分析

利用密度泛函方法对丙烯腈在Cu(111)面上不同吸附位的吸附状态进行了理论研究. 计算结果表明, 丙烯腈分子通过端位N原子立式吸附在金属铜表面为弱化学吸附, 其中桥位为较佳吸附位, 结合能为-40.16 kJ/mol; 丙烯腈分子和金属铜之间发生了电荷转移, N原子的孤对电子与金属形成σ共价键; 对丙烯腈分子结构变化进行了NBO分析, 解释了丙烯腈分子吸附后被活化的原因.     

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.     

洁净和氧吸附的Cu(100)表面重构的理论研究

The interaction of atomic oxygen with the clean Cu(100) surface has been studied by means of cluster and periodic slab models density functional theory in the present paper. The Cu(4,9,4) cluster and a three-layer slab with c(2×2) structure are used to model the perfect Cu(100) surface. Three possible adsorption sites,top, bridge and hollow site, were considered in the calculations. The predicted results show that the hollow site is the prefer site for atomic oxygen adsorbed on Cu(100) surface energetically. This is in good agreement with the experiment. The calculated binding energies are respective 2.014, 3.154 and 3.942 eV for top, bridge and hollow sites at mPW1PW91/LanL2dz level for the cluster model. The geometry of Cu(100) surface has also been optimized theoretically with various density functional methods and the results show that the prediction from the B3PW91/LanL2dz and mPW1PW91/LanL2dz reproduce the experimental observation.The frontier molecular orbitals and partial density of states analysis show that the electron transfer from the d orbital of substrate to the p orbital of the surface oxygen atom.     

苯在Au(100)表面化学吸附的周期性密度泛函理论研究

采用局域密度泛函理论(LDA)的VWN方法, 结合周期平板模型, 在DNP基组下, 研究了苯分子在Au(100)面的吸附情况. 构型优化的结果表明, 苯分子在穴位吸附活性最高, 吸附能为－184.8～－184.3 kJ•mol^-1, 苯环发生扭曲, C—C键明显拉长, 出现了介于苯和1,4-环己二烯之间的船状构型, 船头的2个C原子从sp²杂化重新进行sp³杂化. 苯分子在桥位和顶位的吸附活性较低, 吸附能分别为－156.7～－145.3 kJ•mol^-1、－116.5～－117.0 kJ•mol^-1, 苯分子构型有稍微的改变. 轨道分析的结果还表明, 吸附之后苯分子的轨道简并度降低, 苯分子的LUMO轨道和邻近Au原子的d_z²轨道叠加比较好, 两个对位的C原子以双σ形式连接到表面邻近的Au原子上.     

氧分子在Cu2O(111)表面吸附与解离的理论研究

本文采用密度泛函方法结合周期性平板模型,研究了氧原子和氧分子在完整和存在缺陷的Cu₂O(111)表面的吸附。计算结果表明氧原子倾向于吸附在配位饱和的Cu_CSA位,而对于氧分子,则强烈倾向于吸附在配位不饱和的Cu_CUS位。氧分子在含有氧空位的缺陷表面的优势吸附位为平行吸附于空位上方的桥位。过渡态的计算表明氧分子在缺陷表面的解离是一个活化能很小的放热过程。     

Selective oxidation of styrene on an oxygen‐adsorbed Cu(111): A comparison with Au(111)

The reaction mechanism for the styrene selective oxidation on the oxygen preadsorbed Cu(111) surface has been studied by the density functional theory calculation with the periodic slab model. The calculated result indicated that the process includes two steps: forming the oxametallacycle intermediate (OMMS) and then producing the products. In addition, it was found that the second step, from OMMS to the product, is the rate‐controlling step, which is similar to the previous work of ethylene selective oxidation. The present result indicated that the selectivity towards the formation of styrene epoxide on Cu(111) is much higher than that on Au(111). More importantly, we found that the mechanism via the OMMS (2) (i.e., the preadsorbed atomic oxygen bound to the CH₂ group involved in C₆H₅? CH?CH₂) to produce styrene epoxide is kinetically favored than that of OMMS (1). We also found that the selectivity toward the styrene epoxide formation on Cu₂O is similar to that of Cu(111). © 2009 Wiley Periodicals, Inc. J Comput Chem, 2010     

N2分子在UO(100)表面的吸附与解离

运用密度泛函理论中广义梯度近似(GGA)的VWN-BP方法结合周期性平板模型, 研究N2在UO(100)表面的吸附. 研究表明, N2平行吸附在UO(100)表面穴位为最稳定吸附构型, 吸附能为79.0 kJ·mol-1. Mulliken布居分析显示, N2获得电子. 吸附后, N—N伸缩振动频率发生红移, 波数在1770-2143 cm-1之间. 态密度分析表明, U原子将d、f电子转移至N2的2π轨道. 计算所得解离反应的能垒为266.9 kJ·mol-1.     

Adsorption of H2O,OH, and O on CuCl(111) Surface: A Density Functional Theory Study

The adsorption of H2O molecule and its dissociation products, O and OH, on CuCl(111) surface was studied with periodic slab model by PW91 approach of GGA within the framework of density functional theory. The results of geometry optimization indicate that the top site is stable energetically for H2O adsorbed over the CuCl(111) surface. The threefold hollow site is found to be the most stable adsorption site for OH and O, and the calculated adsorption energies are 309.5 and 416.5 kJ/mol, respectively. Adsorption of H2O on oxygen-precovered CuCl(111) surface to form surface hydroxyl groups is predicted to be exothermic by 180.1 kJ/mol. The stretching vibrational frequencies, Mulliken population analysis and density of states analysis are employed to interpret the possible mechanism for the computed results.