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.     

吸附O的Cu(110)c(2×1)表面原子结构和电子态

采用第一性原理的密度泛函理论方法计算了清洁Cu(110)表面和吸附O原子的Cu(110) c(2×1)表面的原子结构, 结构弛豫和电子结构, 得到了各种表面结构参数. 分别计算了O原子在Cu(110)表面三个可能吸附位置吸附后的能量, 并给出了能量最低的吸附位置上各层原子的弛豫特性和态密度. 结果表明O吸附后的Cu(110)表面有附加列(added-row)再构的特性, O原子吸附在最表层铜原子上方, 与衬底Cu原子的垂直距离为0.016 nm, 以氧分子为能量基准的吸附能为－1.94 eV; 同时由于Cu 3d- O 2p态的杂化作用使得低于费米能级5.5~6.0 eV的范围内出现了局域的表面态. 计算得到清洁的和氧吸附的Cu(110)表面的功函数分别为4.51 eV和4.68 eV. 电子态密度的结果表明：在Cu(110) c(2×1) 表面O吸附的结构下, 吸附O原子和金属衬底之间的结合主要是由于最表层Cu原子3d态和O原子2p态的相互作用.     

O2和CO在Ni(111)表面的吸附活化

采用高分辨电子能量损失谱(HREELS)、俄歇电子能谱(AES)和低能电子衍射(LEED)研究镍单晶表面氧物种及CO与O₂的共吸附。实验结果表明,Ni(111)表面氧化后存在两种氧物种,位于54 meV能量损失峰的表面化学吸附氧物种和位于69 meV能量损失峰的表面氧化镍。首先,随着暴露氧量的增加,表面化学吸附氧物种的能量损失峰蓝移至58 meV;其次,通过真空退火及与CO相互作用考察,发现表面化学吸附氧物种较不稳定。在室温条件下,表面预吸附形成的表面化学吸附氧物种与CO共吸附,导致端位吸附CO增多,表明氧优先吸附在穴位上,随着CO暴露量的增加化学吸附氧物种与CO反应脱去;而表面氧化镍需在较高温度和较高CO分压下才能被CO还原。预吸附CO可被氧逐渐移去。     

HCOO在Cu(110)、Ag(110)和Au(110)表面的吸附

采用密度泛函理论(DFT)以及广义梯度近似方法(GGA)计算了甲酸根(HCOO)在Cu(110)、Ag(110)和Au(110)表面的吸附. 计算结果表明, 短桥位是最稳定的吸附位置, 计算的几何参数与以前的实验和计算结果吻合. 吸附热顺序为Cu(110)(-116 kJ·mol-1)>Ag(110)(-57 kJ·mol-1)>Au(110)(-27 kJ·mol-1), 与实验上甲酸根的分解温度相一致. 电子态密度分析表明, 吸附热顺序可以用吸附分子与金属d-带之间的Pauli 排斥来关联, 即排斥作用越大, 吸附越弱. 另外还从计算的吸附热数据以及实验上HCOO的分解温度估算了反应CO2+1/2H2→HCOO的活化能, 其大小顺序为Au(110)>Ag(110)>Cu(110).     

NO和O2在Pt(110)面上吸附的TDS和PEEM研究

采用热脱附和光电子发射普微镜研究了Ｏ２和ＮＯ在Ｐｔ（１１０）面上的吸附和共吸附。结果表明，室温条件下，ＮＯ在Ｐｔ（１１０）面上有端式和桥式两种不同的吸附方式。Ｐｔ（１１０）表面预吸附的原子态氧占据了ＮＯ进入了桥式吸附的活性粒，从而阻遏了ＮＯ在Ｐｔ表面发生解离反应必须经过的桥式吸附中间态的形式，进而降低了ＮＯ在Ｐｔ表面直接分散的能力。     

低温红外光谱研究CuO/γ-Al2O3上CO和NO选择性吸附

The low temperature infrared spectroscopy was applied to investigate the adsorp-tion of NO and CO on CuO/γ-Al_2O_3. The measured infrared bands were asigned. The results of alternate adsorption and coadsorption of NO and CO exhibited that Cu~(2+) and Cu~+ sites coexist on the surface of oxidized CuO/γ-Al_2O_3 and the selective ad-sorption of CO/Cu~+ and NO/Cu~(2+) was observed.     

NO双分子在Cu2O(111)面吸附与解离的理论研究

采用广义梯度密度泛函理论结合周期平板模型方法, 在DNP基组下, 研究了NO双分子在三重态和单重态两种电子组态下在Cu2O(111)完整表面的吸附情况. 考虑了Cu+(NO)(NO)、Cu+(NO)(ON)及Cu+(ON)(ON)这三种构型, 计算了它们的吸附能和Mulliken电荷, 分析并预测了吸附后可能产生的物种. 结果表明, 当两个NO分子都以O端吸附在Cu2O(111)表面时即Cu+(ON)(ON)构型, N—N键长很短, 只有124.4 pm, 吸附的两个NO分子形成了二聚体形式, 这种吸附构型有利于进一步离解产生N2或N2O并形成Cu-O表面物种.     

NO在NiO(100)面吸附的DV-Xa簇模型研究

采用量子化学的ＳＣＣ－ＤＶ－Ｘα嵌入簇模型方法考察了ＮＯ／ＮｉＯ（１００）吸附体系的两种不同吸附方法：以Ｎ端在正离子顶位的垂直线性吸附和弯折式吸附方式。     

CuO/TiO2/γ-Al2O3催化剂表征及对NO＋CO反应性能研究

采用色谱-微反流动法反应装置考察了w%CuO/15%TiO2/γ-Al2O3催化剂对NO＋CO的反应活性;催化剂经空气氛或氢气氛预处理后,NO转化率达100%的反应温度分别是325和275℃;XRD仅能检测到γ-Al2O3晶相,负载15%CuO后可以检测到微弱的CuO晶相;H2-TPR能检测到2个CuO的还原峰（α和β峰）,将其归属于高度分散的CuO分别在裸露的γ-Al2O3和TiO2/γ-Al2O3载体上的还原;原位红外分析结果表明催化剂经空气氛或氢气氛预处理后,吸附NO＋CO反应气后,反应的中间产物N2O出现的温度分别为200和150℃。     

H2O在Cu(100)表面吸附的从头算研究

用量子化学从头计算方法,以原子簇Cu₅为模拟表面,研究了水在Cu(100)面上不同吸附位的吸附情况,结果表明:水分子通过氧原子与表面成键,顶位是其最佳吸附位,吸附能约为70kJ/mol,平衡距离为0.213nm,氢原子远离表面.在氧原子不加极化函数时,水分子的二次轴垂直于表面时能量最低,但倾斜至50°所需能量仅在10kJ/mol以内.当考虑O原子d轨道的影响时,水分子倾斜时能量较低,得到了与实验相符的吸附构型.另外还研究了表面电荷对吸附体系的影响,结果表明:表面带正电荷时,水与表面间的相互作用增强,水上所转移电荷增多,Cu-O间平衡距离减小;表面带负电荷时,情况与之相反,且氢原子靠近表面时,势能曲线有最低点.     

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.     

Na(110)和Na2O(111)表面弛豫的研究

We have studied the relaxation of Na(110) and Na_2O(111) surfaces with LEED, and found that the best agreement between theory and experiment in such a structure, the surface layer distance d=0.291±0.01 nm (contracted 0.34%±0.01 nm) [for Na(110)]; and the three atomic surface layer distances d_1=0.117±0.01 nm (expanded 4.63%±0.01 nm), d_2=0.161±0.01 nm(expanded 0.063%±0.01 nm) and d_3=0.086±0.01 nm (expanded 0.75%±0.01 nm) [for Na_2O(111)].     

制备方法对CuO/CeO_2-ZrO_2催化CO低温氧化活性的影响

采用微波加热分解法(一步法)和微波加热处理共沉淀+浸渍法(两步法)制备了CuO/CeO2-ZrO2催化剂,并对其进行了X射线衍射、低温氮气吸附/脱附和程序升温还原等表征,采用色谱流动法考察了催化剂的催化CO低温氧化性能.结果表明,一步法比两步法更有利于使催化剂表面CuO高度分散,CuO与CeO2-ZrO2间的相互作用更强,CuO更容易被还原,从而具有更高的催化CO氧化活性.与CeO2-ZrO2有相互作用的高分散和小颗粒CuO有利于催化剂活性的提高,与CeO2-ZrO2无相互作用的大颗粒CuO对催化剂的活性有抑制作用.     

Chemisorbed Oxygen Species over the (110) Face of SnO2

The electronic states of chemisorbed oxygen species on the (110) face of SnO₂ and their variations caused by heat treatments and/or O₂ exposure have been investigated. The reactivities of the chemisorbed oxygen species for methane oxidations were also examined.Four different chemisorbed oxygen species (O₂ ^2-, O_2-, O^-, O_b) were observed, in addition to the lattice oxygen (O^2-), on the surface of the stabilized (110) surface of SnO₂ after O₂ exposure. The O_b species was assumed to be the bridging oxygen at the topmost layer of the SnO₂ (110) surface having no neighboring oxygen vacancies. The electronic state of O_b was converted to O^- upon CH₄ exposure at 473 K by coupling with newly produced vacancies at the bridging site of the SnO₂ (110) surface.     

C2近邻环境对金属碳化物电子结构的影响

对一系列金属碳化物簇进行了ＤＶ－Ｘａ分子轨道计算,探讨了Ｃ２配位环境对电子结构的影响,计算结果表明,在Ｌａ６Ｃ＾１５＋２簇中,Ｌａ的５ｄ和Ｃ的２ｐ带分开,键基本上是离子性,当Ｌａ原子被Ｎｉ取代形成Ｌａ４Ｎｉ４Ｃ＾１６＋２簇之后,Ｎｉ的３ｄ和Ｃ的２Ｐ带几乎完全重叠,表明了强的Ｎｉ－Ｃ共价作用,此外,在Ｓｃ５Ｎｉ４Ｃ＾１６＋２簇中,除Ｎｉ－Ｃ和Ｃ－Ｃ共价作用外,还存在着强的金属－金属键。     

CuO/Ti0.5Zr0.5 O2催化剂上NO+CO反应活性的研究

以Ti0.5Zr0.5O2复合氧化物为载体，采用浸渍法制备了不同负载量的CuO／Ti0.5Zr0.5O2(TZ)催化剂，考察了催化剂对NO的反应活性，并用TPR、TG-DTA和NO-TPD等技术对催化剂进行了表征。结果表明，CuO的负载量和焙烧温度对催化剂的活性均有影响。30％CuO／Ti0.5Zr0.5O2(500℃，2h)在反应温度为400℃时NO转化率为100％。TPR结果表明，CuO负载量≤12％时，在TPR上出现了2个还原峰(即α和β峰)；而进一步提高CuO的负载量，出现了γ还原峰，推测α峰为高度分散Cu物种的还原，β峰为孤立的Cu物种的还原，γ峰则为晶相CuO的还原峰。TG-DTA图谱显示在725℃左右的放热峰是ZrTiO4晶化过程的完成。NO-TPD结果表明NO吸附在TZ上的热脱附过程中，出现2个脱附峰；而NO吸附在12％CuO／TZ上，500℃和750℃焙烧的催化剂上出现3个脱附峰；而在850℃和950℃焙烧的催化剂上只出现2个脱附峰，且NO在上述不同焙烧温度的催化剂上的脱附峰温均低于载体，这表明NO吸附在CuO／TZ催化剂上比吸附在Ti0.5Zr0.5O2上更容易脱出和分解。     

Effects of Carrier on CuO／TiO2 and CuO／Ti0.5Zr0.5O2 Catalysts in the NO＋CO Reaction

Using TiO2 and Ti0.5Zr0.5O2 as carriers, the CuO/TiO2 and CuO/Ti0.5Zr0.5O2 catalysts were prepared by the impregnation method with Cu(NO3)2 as active component. The catalytic activities in NO CO reaction were investigated using a microreactor-GC system, and structure and reducibility of catalysts were characterized by means of physical adsorption, TPR, XRD, NO-TPD technologies. It was found that the activity of CuO/Ti0.5Zr0.5O2 catalyst was higher than that of CuO/TiO2, probably due to the large specific surface area of Ti0.5Zr0.5O2 that played an important role in NO CO reaction.     

一氧化氮在Cu_3Pt(111)表面的吸附行为

运用密度泛函理论中广义梯度近似(GGA)的PW91方法,结合周期性平板模型,探讨了NO分子在Cu3Pt(111)表面上不同吸附位的吸附行为.结果表明:NO分子以N端朝下方式吸附在top-Pt以及hcp1和fcc2位(分别为表面Cu2Pt和Cu3簇)的吸附模式最稳定,吸附能分别为101.8、124.5和118.1kJ·mol-1.对于hcp1和fcc2位的吸附,NO中的N原子分别与底物的Cu2Pt和Cu3簇成键.吸附前后的电荷布居、态密度和振动频率的分析结果表明,净电子从底物合金表面转移到NO,N—O键伸长,频率发生红移.合金Cu3Pt和纯贵金属Pt对NO的吸附性质相似.     

Quantum Chemical Calculations on the Structure and Adsorption Properties of NO and N2O on Ag+ and Cu+ Ion-Exchanged Zeolites

Ab initio cluster quantum chemical calculations at the Hartree–Fock (HF/Lanl2dz) and correlated second-order Moller–Plesset perturbation theory (MP2/Lanl2dz) levels were performed for NO and N₂O interactions with Ag⁺ and Cu⁺ ion-exchanged zeolites. The interaction energies were estimated in a conventional way and also corrected for basis set superposition errors. It was shown that the highly dispersed Ag⁺ counterions establish twofold coordination to the lattice oxygens on the zeolite surface, similar to the case of Cu⁺ ions. However, both NO and N₂O bind relatively strongly to the Cu active sites of Cu⁺ ion-exchanged zeolites than those of the Ag⁺ site of the Ag⁺ ion-exchanged zeolites. Based on the results of these calculations, the two different forms of adsorption for these molecules on the catalyst surface, the nature of their binding and characteristics of the adsorption properties have been discussed. Finally, some comparisons with the results obtained by a variety of density functional theory calculations on target systems have been presented.