三氧化钨表面氢吸附机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,在广义梯度近似下,研究了立方WO_3,WO_3(001)表面结构及其氢吸附机理.计算结果表明立方晶体WO_3理论带隙宽度为0.587 eV.WO_3(001)表面有WO终止(001)表面和O终止(001)表面两种结构,表面结构优化后W—O键长和W—O—W键角改变,从而实现表面弛豫;WO终止(001)表面和O终止(001)表面分别呈现n型半导体特征和p型半导体特征.分别计算了H原子吸附在WO终止(001)表面和O终止(001)表面的H—O_(2c)—H,H—O_(2c)…H—O_(2c),H—O_(1c)—H和H—O_(1c)…H—O_(1c)四种吸附构型,其中H—O_(1c)—H吸附构型的吸附能最小,H—O键最短,H失去电子数最多,分别为-3.684 eV,0.0968 nm和0.55e,此吸附构型最稳定.分析其吸附前后的态密度,带隙从吸附前的0.624 eV增加到1.004 eV,价带宽度基本不变.H的1s轨道电子与O的2p,2s轨道电子相互作用,在-8和-20 eV附近各形成了一个较强的孤立电子峰,两个H原子分别与一个O_(1c)原子形成化学键,最终吸附反应生成了一个H_2O分子,同时产生了一个表面氧空位.     

Au_(38)团簇上小分子H_2O和O_2共同吸附的第一性原理研究

利用密度泛函理论(DFT)计算的方法,对O_2,H_2O单独吸附和共吸附在Au_(38)团簇上的吸附性质进行了结构,能量和电子分析.计算结果表明,O_2倾向于吸附在edge位,H_2O则倾向于吸附在top位.Au(100)表面较之Au(111)表面更有利于O_2,H_2O的吸附,这与实验结果相符合.H_2O和O_2共吸附研究表明,H_2O的存在促进了O_2的吸附.Mulliken和分态密度(PDOS)分析得出:在共吸附中,H_2O将部分电子转移给了O_2,促进了O_2的活化与解离,并生成了类似H_2O_2的中间态,从而为催化氧化反应提供了O活性物种.     

SO_2和NO_2在γ-Al_2O_3(110)表面吸附的第一性原理计算

采用基于平面波基组的Vienna Ab-initio Simulations Package (VASP)程序研究了SO_2和NO_2在γ-Al_2O_3(110)表面和羟基化γ-Al_2O_3(110)表面的吸附,获得了SO_2和NO_2吸附的不同构型和结构参数.对吸附能,电荷转移,差分电荷密度和投影态密度等进行分析和讨论.对比发现,在γ-Al_2O_3(110)表面SO_2的吸附能力强于NO_2.SO_2或NO_2在非羟基化γ-Al_2O_3(110)表面吸附时O原子的2p轨道和Al原子的3s3p轨道作用形成O-Al键,且SO_2吸附时键结强度高于NO_2.NO_2吸附时费米能级以下有部分反键态,削弱了与γ-Al_2O_3(110)表面相互作用.在羟基化γ-Al_2O_3(110)表面SO_2或NO_2的吸附能力会低于非羟基化表面,但是SO_2的吸附能力依旧强于NO_2.计算结果说明SO_2与γ-Al_2O_3(110)表面的相互作用强于NO_2.以上研究,将有助于理解SO_2和NO_2在γ-Al_2O_3的反应性,为进一步研究它们的非均相转化和在灰霾形成中的促进作用奠定基础.     

原位DRIFTS研究CH4部分氧化和CO2重整的耦合

8%Ru-5?/γ-Al2O3催化剂对于甲烷的低温活化具有较好的催化活性,在500℃下甲烷、二氧化碳和氧气的耦合反应中,吸热反应二氧化碳重整和放热反应甲烷部分氧化进行耦合强化,使得耦合反应中的甲烷转化率为38.8%。用原位漫反射傅里叶红外光谱法对钌系催化剂耦合甲烷部分氧化和二氧化碳重整反应体系机理进行研究。CO在8%Ru-5?/γ-Al2O3上吸附,表明CO在催化剂表面上波数为2 167 cm-1(2 118 cm-1)和2031 cm-1(2 034 cm-1)处形成孪生态Ru(CO)2和Ce(CO)2吸附物种,而且高温下CO吸附物种很容易从催化剂表面脱附出来。原位漫反射红外实验结果表明甲烷部分氧化反应时催化剂表面上有吸附物种碳酸根、甲酰基(甲酸盐)和一氧化碳的形成,其中表面的甲酰基和甲酸盐物种是甲烷部分氧化反应的主要活性中间物,这些中间活性中间体由甲烷吸附态CHx和催化剂表面的氧吸附态结合而形成的,随后这种中间物种再分解为CO产物;甲烷和二氧化碳重整反应时没有新的吸附物种产生,由此提出重整反应的机理是吸附态的甲烷和二氧化碳在催化剂活性中心上进行活化解离而生成合成气;甲烷、二氧化碳和氧气耦合反应过程中出现新的羟基物种(桥式羟基Ru-(OH)2),耦合反应机理复杂可能是由部分氧化和重整两类反应机理的复合,其中桥式羟基Ru-(OH)2参与了反应的进行。     

NiTi(110)表面氧原子吸附的第一性原理研究

为了研究给定的NiTi的表面氧化过程,在保持体系中Ni和Ti原子总数相等的条件下,构建了一系列Ti原子在表面反位的c(2×2)-NiTi(110)缺陷体系,并利用第一性原理计算研究了氧原子在各种NiTi(110)反位缺陷体系的吸附行为以及表面形成能.计算结果表明:吸附氧原子的稳定性与表面Ti原子的富集程度有很大的关联性,体系表面Ti原子富集程度越高,氧原子吸附的稳定性越高;当覆盖度较高时,由于氧原子的吸附,可使Ni和Ti原子在表面出现反位.在富氧条件(μ_o≥-9.35 eV)下,氧原子在表面第1层中的全部Ni原子与第3层全部Ti换位的反位缺陷体系上的吸附最稳定,此时随着氧原子的吸附,表面上的Ti原子升高,导致向上膨胀生长形成二氧化钛层,且在其下方形成富Ni层,由此可合理地解释实验上发现NiTi合金氧化形成二氧化钛层的可能原因.     

MgO、SnO_2、TiO_2表面氧空位性质对气体光学传感特性的影响

光学气敏传感器是当今研究领域的一个热门方向.文章采用密度泛函理论(DFT)体系下广义梯度近似(GGA)第一性原理平面波超软赝势方法,分析和计算了光学气敏材料岩盐型MgO、金红石型SnO_2和锐钛矿型TiO_2表面氧空位的特性.以CO作为吸附分子进行微观机理研究,研究不同氧化物表面吸附气体分子的机理.对氧化物表面的几何结构、吸附能、态密度、差分电荷密度、电荷布居、电荷转移、光学性质等进行分析.研究发现:含有氧空位缺陷的MgO(001)、SnO_2(110)和TiO_2(101)能稳定的吸附CO分子,吸附后造成了材料光学性质的变化,可作为光学气敏传感材料.分析发现:氧空位氧化能力的大小是光学性质改变的核心原因.表面吸附CO分子后,发现SnO_2(110)表面对分子的吸附能最大,分子与表面的吸附距离最短.通过差分电荷密度和电荷布居数发现,表面与CO分子间存在电荷转移,其转移电子数目大小为:SnO_2(110)TiO_2(101)MgO(001),由此得出不同氧化物表面氧化性的大小为:SnO_2(110)TiO_2(101)MgO(001);通过对比吸收谱和反射谱发现:吸附气体分子后SnO_2(110)表面的光学性质变化最为明显,是一种较好的光学气敏传感材料.     

CH3OH在Ga-Rich GaAs(001)-(4×2)表面上的吸附与解离: 团簇模型的密度泛函计算

采用简单团簇模型结合密度泛函理论研究了CH3OH在Ga-Rich GaAs(001)-(4×2)表面上的吸附与解离过程. 计算结果表明, CH3OH在Ga-Rich GaAs(001)-(4×2)表面上首先会形成两种化学吸附状态, 然后CH3OH经解离生成CH3O自由基和H原子吸附在表面不同位置上. 通过比较各个吸附解离路径, 发现解离后的H原子相对更容易吸附在位于表面第二层紧邻的As原子上.     

VC(001)弛豫表面构型与电子结构第一性原理研究

用第一性原理方法对VC(001)清洁表面的构型和电子结构进行了详细研究，与TiC(001)面类似，VC(001)面弛豫后形成表面皱褶，其表层V原子和C原子分别朝体相和真空方向移动. 能带计算结果表明，过渡金属碳化物(001)面的能带结构符合刚性带理论模型. 对于VC(001)面，表面态主要处在-30eV附近，其主要成分为表层C原子的2pz轨道. 此外，以表层V原子的3d轨道成分为主的表面态出现在费米能级附近，由于这些表面态以表面法线方向的轨道(3d２z和3dxz/dyz)为主要成分，因此在表面反应中将起到重要作用，从而体现出与TiC(001)面不同的反应性质. 关键词： 过渡金属碳化物 表面态 能带结构     

锐钛矿型TiO_2(001)-(1×4)表面还原型缺陷对乙醛偶联反应的作用（英文）

本文利用程序升温脱附技术(TPD)研究了乙醛吸附在锐钛矿型TiO_2(001)-(1×4)表面的化学性质.实验结果表明完整晶格位点对乙醛反应表现极为惰性,而表面上的还原型缺陷位点在热驱动下可有效地使乙醛分子通过碳-碳偶联反应生成2-丁酮和丁烯.提出了乙醛在锐钛矿型TiO_2(001)-(1×4)表面偶联反应主要是通过表面还原型缺陷位吸附成对的乙醛分子,因为表面已有的钛原子对还原型缺陷为乙醛分子提供了合适的吸附位点.     

Ru分散度对CO吸附态红外光谱的影响

本文用红外光谱法研究了平均晶粒大小对CO在Ru/Al_2O_3上吸附态的影响。发现在大晶粒的Ru/Al_2O_3上只有一种线式CO吸附态,而在小晶粒的Ru/Al_2O_3上可存在R_u~( δ)(CO_4)吸附态、孪生CO吸附态、线式CO吸附态、μ-桥式CO吸附态。在小晶粒Ru/Al_2O_3上的线式CO吸附态比大晶粒Ru/Al_2O_3上的线式CO吸附态稳定,并且预抽空温度对CO吸附态有明显的影响。上述现象认为是由于Ru与Al_2O_3间相互作用随D_(Ru)。变小而加强导致形成不同程度的缺电子Ru中心所致。     

Influence of Pb adatom on adsorption of oxygen molecules on Pb(111) surface: a first-principles study

Using first-principles calculations, we systematically study the influence of Pb adatom on the adsorption and the dissociation of oxygen molecules on Pb(111) surface, to explore the effect of a point defect on the oxidation of the Pb(111) surface. We find that when an oxygen molecule is adsorbed near an adatom on the Pb surface, the molecule will be dissociated without any obvious barriers, and the dissociated O atoms bond with both the adatom and the surface Pb atoms. The adsorption energy in this situation is much larger than that on a clean Pb surface. Besides, for an adsorbed oxygen molecule on a clean Pb surface, a diffusing Pb adatom can also change its adsorption state and enlarge the adsorption energy for O, but it does not make the oxygen molecule dissociated. And in this situation, there is a molecule-like PbO2 cluster formed on the Pb surface.     

密度泛函理论研究KA油在氧化钨表面上的吸附分离

环己烷氧化生成环己酮和环己醇(产物合称KA油)是重要的工业反应,其产物环己酮可作为化学工业中重要的中间体,广泛的用于生产尼龙-6.然而,环己醇和环己酮沸点接近难以分离,因此开发有效分离KA油的材料受到科学工作者的广泛关注.本文基于密度泛函理论计算,研究KA油在干净和有机物修饰的氧化钨材料上的吸附能和吸附构型;通过差分密度电荷和态密度计算,揭示了主-客体吸附过程中的电荷转移特性;研究结果发现使用硅烷修饰后的氧化钨材料对环己醇吸附性能更好;而使用硅醚修饰后对环己酮有更强的吸附能力.该理论研究工作为实验提供了理论依据,缩短了研发分离KA油新材料的时间,节省了人力和资源等成本.     

MoSi_2(001)表面的氧吸附行为

运用第一原理密度泛函理论方法,首先计算了MoSi_2各清洁表面的表面能,(001)Si-|-Si断面具有较低的表面能,是MoSi_2最可能的解理面;通过生成能及键布居分析研究了单氧原子、双氧原子及氧分子在(001)Si-|-Si断面的吸附行为,发现单氧原子在空位处吸附最稳定,此时O极易与Si结合,得到的Si-O-Si键长及键角与SiO_2的非常接近,表明低浓度下O极易与表面的Si结合生成SiO_2;双氧原子发生空位+顶位吸附时O原子除与Si有强作用外,可与Mo有一定相互作用;氧分子以平行的方式接近空位最有利于吸附,此时氧分子最易分解为氧原子,发生氧原子在空位的吸附.     

Adsorption of water molecule on (001) and (110) surfaces of MgH2

First principle calculations have been performed to explore the adsorption characteristics of water molecule on (001) and (110) surfaces of magnesium hydride. The stable adsorption configurations of water molecule on the surfaces of MgH₂ were identified by comparing the total energies of different adsorption states. The (110) surface shows a higher reactivity with H₂O molecule owing to the larger adsorption energy than the (001) surface, and the adsorption mechanisms of water molecule on the two surfaces were clarified from electronic structures. For both (001) and (110) surface adsorptions, the O p orbitals overlapped with the Mg s and p orbitals leading to interactions between O and Mg atoms and weakening the O–H bonds in water molecule. Due to the difference of the bonding strength between O and Mg atoms in the (001) and (110) surfaces, the adsorption energies and configurations of water molecule on the two surfaces are significantly different.     

The adsorption of water on clean and oxygen covered Cu(110)

The water adsorption on clean and oxygen precovered Cu(110) surfaces is studied by means of UPS, LEED, work function measurements and ELS. At 90 K on the clean surface molecular water adsorption is indicated by UPS. The H₂O molecules are bonded at the oxygen end and the H-O-H angle is increased as compared with the free molecule. In the temperature range between 90 and 300 K distorted H₂O molecules and adsorbed hydroxyl species (OH) are detected, which are desorbed at room temperature. On an oxygen covered surface hydroxyl groups are formed by dissociation of adsorbed water molecules at a lower temperature than on the clean surface. Multilayers of condensed water are found below 140 K in both cases.     

O2在Mo(001)表面吸附的第一原理研究

采用第一原理方法计算了O2分子在 Mo(001) 表面的吸附,得到了吸附构型的各种参数,并且计算了O2分子在 Mo(001) 表面4个位置（顶位,桥位,穴位垂直,穴位平行）吸附后的能量,结果表明在顶位吸附能最高。通过对O2分子在 Mo(001) 表面吸附的原子轨道电荷分布与态密度图的分析可以看出在吸附过程中主要是O原子的2p轨道电子与钼的4s和4d轨道电子的相互作用。     

O2在Mo(001)表面吸附的第一原理研究

采用第一原理方法计算了O2分子在 Mo(001) 表面的吸附,得到了吸附构型的各种参数,并且计算了O2分子在 Mo(001) 表面4个位置（顶位,桥位,穴位垂直,穴位平行）吸附后的能量,结果表明在顶位吸附能最高。通过对O2分子在 Mo(001) 表面吸附的原子轨道电荷分布与态密度图的分析可以看出在吸附过程中主要是O原子的2p轨道电子与钼的4s和4d轨道电子的相互作用。     

Ab-initio study of Sr-doping effects on nitric oxide adsorption on the LaO (001) surface of LaFeO3

Density-functional calculations of molecular nitric oxide (NO) on defective (La,Sr)O (001) surfaces of (La,Sr)FeO_3 ? δ using slab models are performed to elucidate the oxygen vacancy formation problem on the LaO (001) surface of LaFeO_3 ? δ.From the estimation of the NO adsorption energy, NO adsorption is found on (La,Sr)O surfaces of (La_0.83,Sr_0.17)FeO_3 ? δ with δ = 0 or 0.25.The absolute value of the NO adsorption energy shows a remarkable increase at oxygen vacancies in the top surface layer, where the nitrogen atoms of the adsorbed molecules are embedded in the first (La,Sr)O layer, because a bond with Fe in the second FeO₂ layer is formed.Our data shows that Sr doping promotes formation of oxygen vacancies, which keep the NO adsorption ability high.Thus, we conclude that if Sr doping increases the number of oxygen vacancy sites by a charge compensation effect, NO adsorption on LaFeO₃ is enhanced, which provides an explanation for several experimental observations.     

Effects of O defects on adsorption of small Ag clusterson a MgO(001) surface

The interaction of Ag atoms with a defective MgO(001) surface is systematically studied based on density functional theory. The Ag clusters are deposited on neutral and charged oxygen vacancies of the MgO(001) surface. The structures of Ag clusters take the shape of simple models of two- or three-dimensional (2D and 3D) metal particles deposited on the MgO surface. When the nucleation of the metal clusters occurs in the F_s (missing neutral O) centre, the interaction with the substrate is considerably stronger than that in the F_s⁺ (missing O^- ) centre. The results show that the adsorption of Ag atoms on the MgO surface with oxygen vacancy is stronger than on a clear MgO surface, thereby attracting more Ag atoms to cluster together, and forming atomic islands.