氢原子在Be(0001)表面吸附的密度泛函理论研究

采用第一性原理的密度泛函理论研究单个氢原子和多个氢原子在Be(0001)表面吸附性质.给出了氢吸附Be(0001)薄膜表面的原子结构、吸附能、饱和度、功函数、偶极修正等特性参数.同时也讨论了相关吸附性质与氢原子覆盖度(0.06-1.33ML)的关系.计算结果表明:氢原子的吸附位置与覆盖度之间有强烈的依赖关系,覆盖度低于0.67ML时,氢原子能量上易于占据fcc或hcp的中空位置;覆盖度为0.78ML时,中空位与桥位为氢原子的最佳吸附位;覆盖度在0.89到1.00ML时,桥位是氢原子吸附能量最有利的位置;以上覆盖度中Be(0001)表面最外层铍原子的结构均没有发生明显变化.当覆盖度为1.11-1.33ML,高覆盖度下Be(0001)表面的最外层铍原子部分发生膨胀,近邻氢原子渗入到铍表面次层,氢原子易于占据在hcp和桥位.吸附结构中的氢原子比氢分子中的原子稳定.当覆盖度大1.33ML时,计算结果没有发现相对于氢分子更稳定的吸氢结构.同时从分析偶极修正和氢原子吸附垂直高度随覆盖度的变化关系判断氢覆盖度为1.33ML时,在Be(0001)表面吸附达到饱和.     

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.     

Mo/Fe3O4(111)表面对燃煤烟气汞吸附的密度泛函研究

利用CASTEP软件包采用密度泛函理论计算研究了过渡金属Mo掺杂Fe_3O_4(111)Fe_(tet)表面对Hg~0、HgCl和HgCl_2的吸附特征,分析了Mo掺杂前后Fe_3O_4(111)Fe_(tet)表面上不同汞物种的吸附形态。结果表明,Mo掺杂Fe_3O_4(111)Fe_(tet)表面对HgCl和HgCl_2为化学吸附,而对Hg~0的吸附为物理吸附;与纯净表面相比,HgCl在Mo原子掺杂表面上的吸附能提高了40%-66%。HgCl_2在纯净Fe_3O_4(111)Fe_(tet)表面形成"M"形结构;而掺杂Mo原子后,由于Cl原子与Mo原子之间更强的相互作用,使得HgCl_2发生了完全解离,两个Cl原子分别与Mo原子和Fe原子成键吸附在表面,Hg脱附。相关研究结果可为脱除燃煤烟气中的汞提供一定的理论指导。     

CH3O和CO在Pd(111)表面偶联反应机理的理论研究

采用DMol³程序包中的GGA-PW91方法, 结合周期平板模型, 对CH₃O和CO在Pd(111)表面的反应进行了系统研究. 计算结果表明, 吸附在Pd(111)表面顶位上的CO分子中C原子所带正电荷最多, 容易与亲核试剂反应, 化学吸附能稍低, 有利于在表面上移动发生亲电插入反应; CH₃O 在Pd(111)表面fcc穴位吸附稳定, O原子上所带的负电荷较多, 易被亲电试剂进攻. 过渡态搜索表明, Pd(111)表面顶位上的CO与fcc穴位上CH₃O反应生成CH₃OOC的为放热反应, 反应能垒较低, 有利于偶联反应的进行.     

乙烷在Ni(111)表面的吸附和分解

研究了乙烷在Ni(111)表面解离的可能反应机理, 使用完全线性同步和二次同步变换(complete LST/QST)方法确定解离反应的过渡态. 采用基于第一性原理的密度泛函理论与周期平板模型相结合的方法, 优化了C2H6裂解反应过程中各物种在Ni(111)表面的top, fcc, hcp和bridge位的吸附模型, 计算了能量, 并对布居电荷进行分析, 得到了各物种的有利吸附位. 结果表明, 乙烷在Ni(111)表面C—C解离的速控步骤活化能为257.9 kJ·mol-1, 而C—H解离速控步骤活化能为159.8 kJ·mol-1, 故C—H键解离过程占优势, 主要产物是C2H4和H2.     

CO在CeO2(111)表面的吸附与氧化

采用密度泛函理论计算了CO在CeO2(111)表面的吸附与氧化反应行为. 结果表明, O2在洁净的CeO2(111)表面为弱物理吸附, 而在氧空位表面是强化学吸附, 且O2分子活化程度较大, O—O键长为0.143 nm. CO在CeO2(111)表面吸附行为的研究表明, CO在洁净表面及氧空位表面上为物理吸附, 吸附能均小于0.42 eV; 当表面氧空位吸附O2后, CO可吸附生成二齿碳酸盐中间体或直接生成CO2, 与原位红外光谱结果相一致. 表面碳酸盐物种脱附生成CO2的能垒仅为0.28 eV. 计算结果表明, 当CeO2表面存在氧空位时, Hubbard参数U对CO吸附能有一定的影响. CeO2载体在氧化反应中可能的催化作用为, 在氧气氛下, CeO2表面氧空位吸附O2分子, 形成活性氧物种, 参与CO催化氧化反应.     

甲醇在Au(111)表面吸附的密度泛函研究

 采用基于第一性原理的密度泛函理论和周期平板模型相结合的方法,对CH3OH分子在Au(111)表面top, fcc, hcp和bridge位的吸附模型进行了构型优化、能量计算以及Mulliken布居分析,结果表明top位是较有利的吸附位. 吸附的CH3OH解离产生甲氧基CH3O和H, 对它们在Au(111)面的吸附进行的计算表明, bridge和fcc位分别是二者的最佳吸附位. 对过渡态的计算给出了CH3OH在Au表面解离吸附的可能机理: 首先发生 O-H 键的断裂,继而生成甲氧基中间体.     

CO在Pt(111)和Pt-M(111)(M=Ni,Mg)表面吸附的理论研究

采用密度泛函理论与周期性平板模型相结合的方法,对CO在Pt(111)表面top,fcc,hcp和bridge 4个吸附位和Pt-M(111)(M=Ni,Mg)表面h-top,M-top,Pt(M)Pt-bridge,Pt(M)M-bridge,Pt(Pt)M-bridge,M(Pt)M-bridge,Pt1M2-hcp...     

甲氧基在Rh(111)表面吸附的密度泛函研究

采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,以原子簇Rh13(9,4)为模拟表面,在6-31G(d,p)与Lanl2dz基组水平上,对甲氧基在Rh(111)表面的四种吸附位置(fcc、hcp、top、bridge)的吸附模型进行了几何优化、能量计算、Mulliken电荷布局分析以及前线轨道的计算。结果表明,当甲氧基通过氧与金属表面相互作用时,在bridge位的吸附能最大,吸附体系最稳定,在top位转移的电子数最多;吸附于Rh(111)面的过程中C—O键被活化,C—O键的振动频率发生红移。     

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.     

Cu单原子修饰对Fe(111)表面CO吸附性能及电子性质调变的第一性原理研究

采用密度泛函理论方法研究了Cu单原子修饰对Fe(111)表面CO吸附性能和电子性质的调变作用,其中,Cu单原子修饰研究了吸附和取代两种方式。结果表明,CO在Cu修饰的Fe(111)面吸附能力都会变弱,一是Cu原子自身提供的位点对CO的吸附较弱;二是Cu会使其附近的Fe对CO的吸附变弱。分析电子性质表明,Cu作用于Fe表面后,会导致Cu附近Fe原子部分电子向Cu原子转移,进而削弱了Fe与吸附分子间电子交互作用而改变Fe原子的吸附能力。故Cu原子改性Fe表面可以很好地调变CO的吸附、解离及后续反应催化活性,这为进一步探究Cu改性Fe表面的合成气催化反应机理提供了基础信息。     

In-Au(111)和Ir-Au(111)合金表面的性质及其对巴豆醛的吸附比较

采用密度泛函理论研究了M（M=In,Ir）原子修饰的M-Au（111）合金表面的稳定性,并选其最优模型探讨了合金表面的活性及其对巴豆醛的吸附。合金的几何构型、形成能和结合能等性质表明,In-Au（111）面的稳定性随In原子的间距增大而提高,Ir-Au（111）面的稳定性随Ir原子的间距增大而降低。对于巴豆醛在MAu（111）面上的吸附,当其通过C＝O吸附于合金表面的Top_M位时,吸附能最大,吸附构型最稳定。从巴豆醛的结构变化、态密度、差分电荷密度以及Mulliken电荷布居等分析可以看出,稳定吸附构型的巴豆醛分子形变较大,电荷转移明显。其中,位于-7.04 eV至费米能级处的p、d轨道杂化,对体系的吸附具有重要贡献。分析比较In-Au（111）面与Ir-Au（111）面,发现后者的配体效应更佳,不仅具有更高的稳定性和活性,而且对于巴豆醛具有更强的吸附力。此外,相比于改性前的Au（111）面,M原子的修饰明显提升了金属表面的稳定性及吸附能力。     

周期性密度泛函理论研究氯气在CuCl(111)表面上的吸附与解离

运用广义梯度密度泛函理论(Generalized Gradient Approximation，GGA)的PBE(Perdew-Burke-Ernzerh)方法结合周期性平板模型，研究了氯气分子和氯原子在CuCl(111)表面上的吸附。通过对不同吸附位和不同单层覆盖度下的吸附能和几何构型参数的计算和比较发现：氯气分子在CuCl(111)表面的吸附为解离吸附；单层覆盖度为0.50时的吸附构型为稳定的吸附构型；氯气分子平行吸附在CuCl(111)表面时最稳定，吸附能最大，达364.5 kJ·mol^-1；伸缩振动频率的计算结果表明，吸附后的氯气分子的伸缩振动频率与自由氯气分子的伸缩振动频率相比，都发生了红移；布居分析结果表明整个吸附体系发生了由Cu原子向氯气分子的电荷转移。氯原子吸附的计算结果显示氯原子以穴位稳定的吸附在CuCl(111)表面。     

氢原子在Ti(0001)表面吸附的密度泛函理论研究

用密度泛函理论研究了氢原子的污染对于Ti(0001)表面结构的影响. 通过PAW总能计算研究了p(1×1)、p(1×2)、3^1/2×3^1/2R30[deg]和p(2×2)等几种氢原子覆盖度下的吸附结构, 以及在上述结构下Ti(0001)面fcc格点和hcp格点的氢原子吸附. 结果表明, 在p(1×1)-H、p(1×2)-H、3^1/2×3^1/2R30[deg]-H和p(2×2)-H几种H原子覆盖度下, 以p(1×1)-H结构的单个氢原子吸附能为最大. 在p(1×1)-H吸附结构下, 由于氢原子吸附导致的Ti(0001)表面Ti原子层收缩的理论计算数值分别为-2.85%(hcp吸附)和-4.31%(fcc吸附), 因此实际上最有可能的情况是两种吸附方式都有一定的几率. 而实验中观察到的所谓“清洁”Ti(0001)表面实际上是有少量氢原子污染的表面. 不同覆盖度和氢分压下, 氢原子吸附的污染对Ti(0001)表面结构有极大的影响, 其表面的各种特性都会随覆盖度的不同而产生相应的变化.     

三种Au(111)催化水煤气变换反应机理的比较

采用密度泛函理论对三种水煤气变换反应(WGSR)机理(氧化还原机理、羧基机理、甲酸基的生成机理)在Au(111)面上的反应历程进行详细讨论.通过对表面吸附物种(H2O、CO、OH、O、H、CO2、COOH、HCOO)的吸附行为进行研究,得到最佳活性吸附中心.对三种机理中的14个基元反应的活化能进行分析,得出WGSR在Au(111)上按照羧基机理和氧化还原机理进行的可能性较大,按照甲酸基的生成机理进行的可能性较小.相比较羧基机理和氧化还原机理,反应更有可能按照羧基机理进行,最佳反应途径为H2O-H→OH+CO→COOH+OH→CO2.     

PdAu(100)和PdAu(111)双金属表面的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论(Density Functional Theory DFT)研究Au(100)和Au(111)表面含有不同Pd构型时表面的形成能.结果表明,非连续Pd构型的形成能较连续Pd构型的低,在表面易形成,其中第二临位Pd对构型被证实是乙烯与醋酸结合生成醋酸乙烯反应中催化活性最高的构型.随后计算CO在不同表面Pd原子的顶位吸附能和Pd原子的d带中心,结果显示表面Pd原子与相邻金原子之间几乎没有电子传递,并且PdAu(111)表面的Pd原子d带中心随周围Au原子个数的增加而远离费米能级,伴随着CO在其上吸附能的减小,但是同样的趋势在PdAu(100)表面不存在.最后,通过计算,CO在金属表面的吸附机理为CO成键轨道5σ的电子传递给Pd原子的d带,而Pd原子的d带电子又反馈回CO的反键轨道2π*.     

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.     

Au/Pd(111)双金属表面催化噻吩加氢脱硫的反应机理

采用密度泛函理论（DFT）计算了Pd（111）表面含有N（N=1-4）个Au原子数目时的表面形成能,选取最优构型进一步研究了噻吩在Au/Pd（111）双金属表面的吸附模式及加氢脱硫反应过程. 结果表明：当Pd（111）表面含有1个Au原子时,其形成能最低. 在Au/Pd（111）双金属表面噻吩初始吸附于Pd-Hcp-30°位时,其构型最稳定. 在各加氢脱硫过程中,反应总体均放出热量. 对于直接脱硫机理,其所需活化能较低,但脱硫产物较难控制;对于间接脱硫机理,反应最有可能按照顺式加氢方式进行,C―S键断裂开环时所需活化能最高,是反应的限速步骤. 此外,与单一Au（111）面及Pd（111）面相比,Au/Pd（111）双金属表面限速步骤的反应能垒最低,表明AuPd双金属催化剂比Au、Pd单金属催化剂更有利于噻吩加氢脱硫反应的进行.     

Au(111)面甲烷硫醇吸附的密度泛函理论研究

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Au(111)表面的吸附构型和电子结构. 系统地计算了S原子在不同位置以不同方式吸附的系列构型, 计算结果表明, CH₃SH分子倾向于吸附在top位上, S-C键相对于Au表面法线的夹角为62°～78°|而S-H键断裂后CH₃S_H则倾向于吸附在bri-fcc位上, S-C键相对于Au(111)表面法线的夹角为49°～57°. 比较分析CH₃SH分子和CH₃S_H的吸附, 发现CH₃SH分子倾向于不解离吸附, 表面温度的提升和缺陷的出现可能促使S-H键的断裂. 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S-H键未断裂时S原子和表面的键合. 扫描隧道显微镜(STM)图像模拟显示了CH₃SH和CH₃S_H在Au(111)表面吸附的3个典型的STM图像.     

糠醛在Pt(111)表面的吸附和脱碳反应

采用广义梯度近似的密度泛函理论并结合平板模型的方法, 优化了糠醛分子在Pt(111)面的吸附模型,并探究了糠醛脱碳反应形成呋喃的机理. 结果表明: 吸附后糠醛分子环上的C―H(O)键及支链―CHO相对于金属表面倾斜上翘, 分子平面被扭曲, 易于呋喃的形成; 同时, 糠醛分子向Pt表面转移电子0.765e, 环中的大π键与Pt(111)表面的d轨道发生较强的相互作用, 使得糠醛的芳香性被破坏, 环上的碳原子呈现准sp³杂化. 此外, 对糠醛脱碳反应中的各反应步骤进行过渡态搜索, 通过比较各步骤的活化能, 得出糠醛更易先失去支链上的H形成酰基中间体(C₄H₃O)CO, 中间体继续脱碳加氢形成产物呋喃. 该过程的控速步骤为(C₄H₃O)CO^*+^*→C₄H₃O^*+CO^* (^*为吸附位),活化能为127.65 kJ·mol^-1.