H吸附诱发ZnO(10-10)表面的金属化

采用基于广义梯度近似的投影缀加平面波赝势和周期性边界条件的超晶胞模型, 用第一原理方法计算并分析了H在ZnO(10-10)面上的吸附能、态密度和能带结构. 结果表明: 1) H单原子吸附时, H在ZnO(10-10)面上的吸附(用ZnO(10-10)-H表示)只形成OH原子团, 没有ZnH出现; 面上剩余的Zn悬挂键导致此面显示出很强的金属性. DOS和能带分析显示导带(CB)底的Zn 4s态得到电子, 向下移动导致价带导带在禁带中出现交叠, 呈现明显金属化. 2) 双H在ZnO(10-10)面上的吸附用ZnO(10-10)-2H表示, 在ZnO(10-10)-2H吸附面上, 2H分别吸附在O、Zn上, 饱和了面上的两个悬挂键, DOS和能带分析显示ZnO(10-10)-2H吸附面与清洁ZnO(10-10)面大致相同, 均为绝缘面.     

尿素在ZnO(1010)表面的吸附

运用VASP(Vienna ab-initio simulation package),采用基于密度泛函理论(DFT)的第一原理计算,研究了尿素在ZnO(101軈0)表面的吸附行为.计算结果表明:尿素分子在ZnO(101軈0)表面主要发生分子吸附,稳定的吸附产物通过尿素分子中的氮原子或氧原子与表面锌原子之间的键合作用而形成,吸附能分别为-1.48和-1.41eV;表面吸附的尿素分子也可以发生解离,生成表面吸附的异氰酸根、氨气和一个表面羟基,吸附能为-1.66eV.     

Cr掺杂ZnO(10(¯1)0)表面的原子结构和电子性质研究

多相催化中ZnO基催化剂广泛应用于甲醇合成、水汽变换和合成气转化等诸多领域.近期发展的ZnCrOx-分子筛双功能催化剂(OX-ZEO)打破了传统合成气转化的ASF分布,能够高选择性地实现CO加氢转化为低碳烯烃.其中CO在ZnCrOx表面活化被认为是OX-ZEO催化的关键基元过程,但是ZnCrOx表面的活性位组成和结构目...     

利用原位APXPS与STM研究H2在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面的活化

Cu/ZnO/Al₂O₃是工业中最广泛使用的甲醇合成催化剂。然而该催化反应的活性位点和机理目前仍存争议。H₂作为反应物之一,研究其在ZnO表面的活化和解离对于弄清甲醇合成反应的催化机理具有重要的帮助。本工作利用近常压光电子能谱(APXPS)和扫描隧道显微镜(STM)原位研究了H₂在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面上的活化和解离。APXPS结果表明：在0.3 mbar (1 mbar = 100 Pa)的H₂气氛中,室温下ZnO表面形成羟基(OH)吸附物种。STM实验发现通入H₂后ZnO表面发生了(1×1)到(2×1)的重构。上述结果和原子H在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面的吸附结果一致。然而吸附H₂O可以导致同样的现象。因此,我们还开展了H₂O在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面吸附的对比实验。结果表明：H₂气氛中ZnO表面发生0.3 eV的能带弯曲,而H₂O吸附实验中几乎观察不到能带弯曲发生。同时,热稳定性实验表明H₂气氛中ZnO表面的OH不同于H₂O解离吸附产生的OH,前者具有更高的脱附温度。因此,本工作的结果表明常温和常压下H₂在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面发生解离吸附。这一结果和以往超高真空下未发现H₂在ZnO(10${\rm{\bar 1}}$0)表面上的解离不同,说明H₂的活化是一个压力依赖过程。     

H2分子在Li3N(100)表面吸附的第一性原理研究

采用第一性原理方法研究了H₂分子在两种Li₃N(100)晶面的表面吸附情况. 通过研究Li₃N(100)/H₂体系的吸附位置、吸附能和电子结构, 发现H₂分子在Li₃N(100)晶面主要是化学吸附, 但也可以发生物理吸附. 在表面终止原子为Li和N的Li₃N(100)表面, 吸附的最稳定结构中H₂分子被解离, 最终H原子分别趋于两个N原子的顶位, 形成两个NH基, 吸附能为5.157 eV, 属于强化学吸附|此时H₂分子与Li₃N(100)表面的相互作用主要源于H1s轨道与Li₃N表层N原子的2s, 2p轨道重叠杂化的贡献, 且N-H键为共价键. 在表面终止原子为Li的Li₃N(100)表面, 吸附的最稳定结构中H₂分子也被解离, H原子趋于穴位, 吸附能为2.464 eV, 也属于强化学吸附|此时Li和Ｈ之间为较强的离子键相互作用.     

温度对α-Al2O3(0001)表面吸附生长ZnO影响的DFT研究

The adsorption and the growth of ZnO on α-Al2O3(0001) surface at various temperatures were theoretically calculated by using a plane wave pseudopotentials (USP) method based on density functional theory.The average adsorption energy of ZnO at 400, 600 and 800 ℃ is 4.16±0.08, 4.25±0.11 and 4.05±0.23 eV respectively. Temperature has a remarkable effect on the structure of the surface and the interface of ZnO/α-Al2O3(0001). It is found that the Zn-hexagonal symmetry deflexion does not appear during the adsorption growth of ZnO at 400 ℃, and that the ZnO10-10 is parallel with the 10-10 of the α-Al2O3(0001), which is favorable for forming ZnO film with the Zn-terminated surface. It is observed from simulation that there are two kinds of surface structures in the adsorption of ZnO at 600 ℃: one is the ZnO surface that has the Zn-terminated structure, and whose 10-10 parallels the 10-10 of the substrate surface, and the other is the ZnO10-10 //sapphire 11-10 with the O-terminated surface. The energy barrier of the phase transition between these two different surface structures is about 1.6 eV, and the latter is more stable. Therefore,the suitable temperature for the thin film growth of ZnO on sapphire is about 600 ℃, and it facilitates the formation of wurtzite structure containing Zn-O-Zn-O-Zn-O double-layers as a growth unit-cell. At 600 ℃, the average bond length of Zn-O is 0.190±0.01 nm, and the ELF value indicates that the bond of (substrate)-O-Zn-O has a distinct covalent character, whereas the (Zn)O-Al (substrate) shows a clear character of ionic bond. However, at a temperature of 800 ℃, the dissociation of Al and O atoms on the surface of the α-Al2O3(0001) leads to a disordered surface and interface structure. Thus, the Zn-hexagonal symmetry structure of the ZnO film is not observed under this condition     

簇模型ZnO(10(1-)0)面上吸附CO2的密度泛函理论研究

采用电荷自洽方法,以嵌入原子簇Zn4O4为模型,使用量子化学的密度泛函理论,研究了二氧化碳在六方ZnO非极化的(101^-0)面的可能吸附态。计算表明,CO2垂直底物表面吸附,氧原子只能与Zn原子配位,并且吸附能为很弱的1．8kJ／mol;吸附质分子平行于底物表面时,得到了5种平衡吸附构型,其中采用C-Zn配位和η^2-O,O二齿配位时,吸附很弱,经BSSE校正后的吸附能在8．8～6．6kJ／mol。采用η^2-C,O方式分别与O和Zn配位时,吸附能为31．1kJ／mol;C原子与表面O配位时计算得到了唯一的一个化学吸附态,吸附能为139．6kJ/mol,与实验结果一致。     

簇模型ZnO(100)面上吸附CO_2的密度泛函理论研究

采用电荷自洽方法, 以嵌入原子簇Zn4O4为模型, 使用量子化学的密度泛函理论, 研究了二氧化碳在六方ZnO非极化的(1010)面的可能吸附态。计算表明, CO2垂直底物表面吸附, 氧原子只能与Zn原子配位, 并且吸附能为很弱的1.8 kJ/mol;吸附质分子平行于底物表面时, 得到了5种平衡吸附构型, 其中采用CZn配位和η2O, O二齿配位时, 吸附很弱, 经BSSE校正后的吸附能在8.8~6.6 kJ/mol。 采用η2C, O方式分别与O和Zn配位时, 吸附能为31.1 kJ/mol; C原子与表面O配位时计算得到了唯一的一个化学吸附态, 吸附能为139.6 kJ/mol, 与实验结果一致。     

射频溅射制备的多晶ZnO膜表面氧的吸附和脱附

多晶的六角密排的ｃ轴平行于衬底的ＺｎＯ膜已用射频溅射的方法制备出来，一电场感应的氧吸附在这些膜上被观察到由紫外光照射或与Ａｒ离子反应所产生的氧的脱附可使膜的电导率增加６－７个数量级，并且一个积累层在膜的表面显现出来。     

H在Mg(0001)表面吸附、解离和扩散的第一性原理研究

采用基于密度泛函的第一性原理方法, 同时结合Nudged Elastic Band方法, 系统研究了H2分子和H原子在Mg(0001)表面的吸附过程. 给出了H2分子的解离路径和势垒, 结果表明H2分子的吸附过程中仅存在物理吸附; 在给出H原子在Mg(0001)表面的吸附势能面的基础上, 进一步研究了H原子在Mg(0001)表面及体内的扩散过程. 计算发现, Mg(0001) slab存在表面效应, 且对H原子的表面扩散影响较明显. 在此基础上, 通过比较解离、扩散和放氢环节的激活能数据, 为H2分子的解离和氢化物的放氢过程是速控步骤这一结论提供了理论支持.     

聚丙烯腈表面金属化新方法的研究

以硼氢化钠（ＮａＢＨ４）水溶液还原聚丙烯腈（ＰＡＮ）／金属盐络合膜后，就可得到一种新的高分子表面金属化材料．其导电性能较好，表面电阻约为１０－１～１０Ω／□通过ＵＶ、ＩＲ等分析手段证实了在高聚物和金属离子之间存在络合作用。研究了影响表面电阻的因素。通过电镜和测量还原率、电子探针微区分析，证实了还原过程中存在离子迁移     

基于第一性原理研究铱(111)和(100)表面的原子吸附（英文）

本文利用第一性原理密度泛函理论研究了九种不同的吸附原子在铱(Ir)的(111)和(100)表面上的吸附性质.探讨了Ir表面的功能化,因此吸附能、稳定的结构、态密度和磁矩,这将为进一步研究其在催化和其他表面应用中的可能展现的功能提供重要信息.研究表明,三/四重空位点是Ir(111)/(100)表面最有利的吸附位点.通过对大范围的覆盖率(从0.04到1个单层)的研究,表明吸附原子的吸附能具有很强的覆盖率依赖性.吸附能随着覆盖率的增加而增加,这意味着吸附物之间存在排斥相互作用.吸附原子和衬底电子态之间的强杂化会影响吸附性质,同时吸附原子的磁矩被抑制.通过Bader电荷分析,揭示了吸附原子和衬底之间的大量电荷转移.与(111)表面的结合相比,(100)表面吸附原子的结合更强.     

氢原子吸附的Cu(100)表面原子结构和电子态

用密度泛函理论的总能计算研究了金属铜(100)面的表面原子结构以及在不同覆盖度时氢原子的吸附状态. 研究结果表明, 在Cu(100)c(2×2)/H表面体系中, 氢原子吸附的位置是在空洞位置, 距最外层Cu原子层的距离为0.052 nm, 相应的Cu—H键长为0.189 nm, 并通过计算结构参数优化否定了其它的吸附位置模型. 总能计算得出Cu(100)c(2×2)/H表面的功函数为4.47 eV, 氢原子在这一体系的吸附能为2.37 eV(以孤立氢原子为能量参考点). 通过与衬底原子的杂化, 氢原子形成了具有二维特征的氢能带结构, 在费米能级以下约0.8 eV处出现的表面局域态是Cu(S)-H-Cu(S-1)型杂化的结果. 采用Cu(100)表面p(1×1)、p(2×2)和p(3×3)的三种氢吸附结构分别模拟1, 1/4, 1/9的原子单层覆盖度, 计算结果表明, 随着覆盖度的增加, 被吸附的氢原子之间的距离变短, 使得它们之间的静电排斥和静电能增大, 从而导致表面吸附能和吸附H原子与最外层Cu原子间垂直距离(ZH-Cu)逐渐减小. 在较低的覆盖度下, 氢原子对Cu(100)表面的影响主要表现为单个原子吸附作用的形式. 通过总能计算还排除了Cu(100)表面(根号2×2根号2)R45°-2H缺列再构吸附模型的可能性.     

H2O在Al(111)表面吸附的量子化学研究

用量子化学从头算方法,以原子簇Al10模拟表面,研究了水在Al(111)表面上不同吸附位的吸附情况,计算得到了稳定的吸附构型和结合能·结果表明：顶位是其最佳吸附位,而且水在表面能以两种取向被吸附,距表面较远时,H端靠近表面,然后跨过一能垒到达最佳吸附位,此时氧端靠近表面·在吸附过程中,水向表面转移电荷,导致表面功函降低·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;当考虑水中氧的d轨道的影响时,水分子倾斜吸附时能量较低,得到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：表面电荷能使水分子定向,带正电荷时,氧端朝向表面,水分子与表面间平衡距离缩短,吸附作用较强;带负电荷时,水分子氢端朝向表面,吸附的平衡距离较长,吸附能较小。     

氢原子在Ni(111)次表面和Ni(211)、(533)台阶面上的吸附与振动

应用原子与表面簇合物相互作用的五参数Morse势(5-MP)方法对氢原子在Ni(111)表面和次表面以及Ni(211), (533)台阶面进行了系统研究, 得到了氢原子在上述各面的吸附位、吸附几何、结合能和本征振动频率. 计算结果表明, 在Ni(111)面上, 氢原子优先吸附在三重位, 随着覆盖度的增加会吸附在次表面八面体位和四面体位. Ni(211), (533)的最优先吸附位都是四重位, 当氢原子的覆盖度增大时占据(111)平台的三重吸附位. 靠近台阶面的吸附位受台阶和平台高度的影响很大. 此外, 我们计算了氢原子在各表面的不同吸附位的扩散势垒, 获得氢原子在各表面的最低能量扩散通道.     

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.     

Si(001)-(2×2×1):H表面O2吸附的密度泛函理论研究

A novel model was developed to theoretically evaluate the O2 adsorption on H-terminated Si(001)-(2*2*1) surface. The periodic boundary condition, the ultrasoft pseudopotentials technique based on density functional theory (DFT) with generalized gradient approximation (GGA) functional were applied in our ab initio calculations. By analyzing bonding energy on site, the favourable adsorption site was determined. The calculations also predicted that the adsorption products should be Si=O and H2O. This theoretical study supported the reaction mechanism provided by Kovalev et al. The results were also a base for further investigation of some more complex systems such as the oxidation on porous silicon surface.     

α-Al2O3(0001)表面吸附ZnO的DFT研究

建立了α-Al2O3(0001)2×1表面薄片吸附模型,采用基于DFT动力学赝势方法,对ZnO分子的吸附生长进行了计算.详细地研究了ZnO分子在表面吸附的成键方式以及表面化学键特性.在较稳定的吸附位上,ZnO化学键[(0.185±0.01)nm]与最近邻的表面Al—O键有30°的偏转角度,Zn在表面较稳定的化学吸附位置偏离表面O六角对称约30°.通过吸附能量、原子布居数和态密度的分析,ZnO的O2-与表面上的Al3+形成的化学键表现出强离子键特征;而Zn2+同基片表面O2-形成的化学键有明显的共价键成分.     

H2在K0-MWCNTs上储存和吸附/脱附特性研究

利用高压容积法辅以卸压升温脱附排水法，测定金属K修饰多壁碳纳米管对H2的吸附储存容量．结果表明，在室温(25℃)，7．25MPa实验条件下，x％K^0-MWCNTs （x%=30％～35％，质量百分数)对H2的吸附储存容量可达3．80wt％(质量百分数)，是相同条件下单纯MWCNTs氢吸附储量的2．5倍；室温下卸至常压的脱附氢量为3．36wt％(占总吸附氢量的～88％)，后续升温至673K的脱附氢量为0．41wt％(占总吸附氢量的～11％)．利用LRS和H2-TPD-GC／MS等谱学方法对H2/K^0-MWCNTs吸附体系的表征研究表明，H2在K^0-MWCNTs上吸附存在非解离(即分子态)和解离(即原子态)两种吸附态；在≤723K温度下，H2／K^0-MWCNTs体系的脱附产物几乎全为H2气；723K以上高温脱附产物不仅含H2，也含有CH4，C2H4和C2H2等C1／C2-烃．