CH_4、H_2O在CaCO_3(010)表面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理方法,研究了CH_4和H_2O在CaCO_3(010)面上各高对称位的吸附情况,优化了CH_4与H_2O在T位、 B位和H位的吸附模型结构,计算了其在各高对称位的吸附能,并对其各自最稳定的吸附位吸附前后的物理结构和电子态密度进行了对比分析.结果表明:CH_4、 H_2O分子分别在LBⅢ位、 SBⅢ位最稳定,吸附能分别为-0.405 eV、-0.138 eV,是一种物理吸附,吸附前后键长键角的变化较小,表现为亲气;吸附后CH_4和H_2O的态密度曲线整体向低能量区偏移约7.5 eV、 5eV,吸附后CH_4和H_2O结构都更加稳定,吸附作用对CH_4和H_2O分子的电子结构影响显著.     

致密气在α-SiO_2(010)面吸附的第一性原理研究

致密气在砂岩储层中的赋存状态一直是人们研究的热点.为了论证致密气在石英砂岩表面吸附性的强弱,基于密度泛函理论的第一性原理方法,以CH_4分子为主要研究对象,研究了CH_4、C_2H_6、CO_2、N_2分子在α-SiO_2(010)面的吸附性质.结果表明:CH_4、C_2H_6、CO_2、N_2分子在α-SiO_2(010)面的吸附能力从小到大依次为CO_2N_2CH_4C_2H_6,其中CH_4分子在B12位的吸附能最低,为-0.5379 eV,几何结构变化最小,吸附最稳定,是一种物理吸附;烃类气体的吸附性比非烃类的吸附性强;不同高对称位的吸附能变化范围很小,气体在α-SiO_2(010)面的流动性很强;在B12位吸附后,CH_4分子的s态、p态电子密度整体向低能量区域偏移约3.2 eV,而α-SiO_2(010)表面硅原子的电子态密度曲线几乎不变.     

电荷调控下Ti3C2O2和V2CO2吸附CH4的第一性原理计算

本文采用第一性原理计算首先研究了Ti3C2O2和V2CO2与CH4气体分子之间的相互作用,发现Ti3C2O2和V2CO2对CH4的吸附较弱属于物理吸附,不适宜用作探测CH4。在此基础上研究了电荷调控下CH4气体分子与Ti3C2O2和V2CO2之间的相互作用。结果表明：随着体系电荷态的增加,Ti3C2O2和V2CO2对CH4气体分子的吸附作用逐渐增加变为化学吸附。当体系电荷态大于或等于-2时,CH4气体分子在Ti3C2O2和V2CO2表面可以被有效捕获。撤去电荷后,Ti3C2O2、V2CO2与CH4气体分子之间的吸附恢复至物理吸附,CH4气体分子易脱附。因此,通过调控Ti3C2O2和V2CO2的电荷态,可以简单地实现CH4的捕获与释放。Ti3C2O2和V2CO2有望成为CH4探测或捕获材料。     

H2O分子在Fe(100), Fe(110), Fe(111)表面吸附的第一性原理研究

采用第一性原理研究了H2O分子在Fe(100),Fe(110),Fe(111)三个高对称晶面上的表面吸附.结果表明,H2O分子在三个晶面上的最稳定结构皆为平行于基底表面的顶位吸附结构.H2O分子与三个晶面相互作用的吸附能及几何结构计算结果表明H2O分子与三个晶面的相互作用程度不同,H2O分子与Fe(111)晶面的相互作用最强,其次是Fe(100),相互作用最弱的是Fe(110)表面,而这与晶面原子的排列密度相关.吸附体系的电子结构计算结果也得出了相似的结论.同时电荷布居分析表明,H2O分子与Fe表面相互作用时,O原子与基底原子之间的电荷交换使基底Fe原子表面带负电,导致表面电位降低,也促使Fe表面更易于发生电化学腐蚀反应.     

第一性原理研究H_2O分子在CaCO_3(104)表面吸附

基于密度泛函理论的第一性原理方法模拟研究H_2O在CaCO_3(104)表面的吸附特征.首先,研究H_2O分子在CaCO_3(104)表面的顶位、桥位(短桥位、长桥位)和穴位上垂直和平行表面两种类型下的8种高对称吸附结构模型,结合吸附能和稳定吸附构象确定最优吸附位.而后,基于H_2O/CaCO_3(104)最优吸附结构模型,研究吸附前后H_2O和CaCO_3(104)表面的物理结构、电子结构(Mulliken电荷布居数、态密度、电子局域函数)的特征,分析H_2O/CaCO_3(104)表面之间的相互作用以及成键机理.研究结果:吸附能和体系稳定构象显示H_2O分子/CaCO_3(104)表面的最稳定吸附结构为穴位-平行.在穴位-平行位吸附后,H_2O分子的O-H键长和H-O-H键角均发生改变; CaCO_3晶体平行和垂直(104)表面方向上原子位置均发生改变,表面层变化最大;即吸附作用对H_2O分子和CaCO_3晶体的物理结构均产生较大影响; H_2O/CaCO3(104)最优吸附体系的Mulliken电荷布居数、电子态密度、电子局域函数的研究均说明H_2O分子与CaCO3(104)之间存在电子的转移形成化学键.其中,Ca-O(H_2O)形成离子键,H(H_2O)-O(CaCO_3)之间存在氢键作用.本文研究揭示了方解石表面水湿性的原因,同时为方解石润湿性的深入研究奠定基础.     

二维Ti_2CO_2单层吸附H_2S分子的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法研究了H_2S分子在二维单层Ti_2CO_2表面上的吸附以及外加应变和电场对其性质的调制,发现该吸附为物理吸附,其吸附强度几乎不受外加拉伸应变的影响,而外加电场使H_2S分子的吸附增强.同时,通过单层Ti_2CO_2表面不同结构(如水分子修饰、官能团掺杂、氧官能团空位)对H_2S分子吸附性质影响的研究表明:(1)表面吸附的水分子促进H_2S分子的吸附,其吸附强度随H_2O分子数增多而增强;(2)官能团OH掺杂浓度低于0.22 ML时,促进H_2S分子的吸附,而较高浓度OH掺杂使H_2S分子吸附减弱;官能团F掺杂对H_2S分子吸附强度几乎没有影响;(3)含氧空位的Ti_2CO_2表面与H_2S分子相互作用较强,吸附能高达-1.06 eV,且电子结构改变明显.     

电场作用下P掺杂硅烯选择性吸附CH_4的第一性原理计算

在煤层气中选择性吸附和捕捉甲烷分子,对提高煤矿安全具有十分重要的意义.本文采用第一性原理计算的方法,研究了外加电场作用下P掺杂硅烯对甲烷分子的选择性吸附性能.结果表明:正电场作用下,P掺杂硅烯与甲烷分子之间产生较强的化学吸附,能够快速捕获甲烷分子.当关闭外加电场时,P掺杂硅烯与甲烷分子之间则为微弱的物理吸附,甲烷分子很容易实现脱附.同时还发现,外加电场作用下,P掺杂硅烯与氮气、氧气及水之间的吸附均属于物理吸附,表明P掺杂硅烯可以在这些混合气体中实现甲烷气体的选择性吸附. P掺杂硅烯有望成为选择性好的甲烷传感、捕获新材料.     

H2S在Fe(100)面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理, 在广义梯度近似下, 研究了表面覆盖度为0.25 ML (monolayer)时硫化氢分子在Fe(100)面吸附的结构和电子性质, 并与单个硫原子吸附结果进行了对比. 结果表明: 硫化氢分子吸附在B2位吸附能最小为-1.23 eV, 最稳定, B1位吸附能最大为-0.01 eV, 最不稳定; 并对硫化氢分子在B1位和B2位吸附后的电子态密度进行了分析, 也表明了吸附在B2位稳定, 且吸附在B2位后硫化氢分子几何结构变化不大; 将硫化氢中硫原子吸附与单个硫原子吸附的电子性质进行了比较, 发现前者吸附作用非常微弱; 同时对吸附后的Fe(100)面进行了对比, 单个硫原子吸附的Fe(100)面电子态密度出现了一系列峰值且离散分布, 生成了硫化亚铁, 表明在硫化氢环境下, 主要是硫化氢析出的硫原子发生了吸附. 关键词： 第一性原理 Fe(100)表面 吸附能 硫化氢     

CO分子在Co(0001)表面吸附的第一性原理研究

应用第一性原理对CO分子在Co(0001)表面( squar3× squar3)R30°−CO吸附结构进行不同形式的密度泛函计算研究. 结果表明：吸附能修正前,仅RPBE泛函预测CO顶位吸附;而修正后PW91、PBE和PKZB泛函结果也表明CO分子Top顶位吸附最稳定,与实验结果一致.对于吸附几何结构、吸附前后体系功函、C-O伸缩振动频率和CO分子态密度分布,所有泛函给出一致的结果,且与已有实验结果符合.     

基于第一性原理计算H_2S、CO_2、CH_4在Fe-MoS_2上的吸附性能

在高含硫气藏开发中,伴随着CH_4的采出,H_2S和CO_2也不可避免的被采出.这两种气体会产生管道腐蚀和气体中毒等诸多不利影响.为了解决这一现实需要,从研究较为广泛的MoS_2材料入手,考虑了其掺杂结构中的吸附性能的变化,相关计算原理基于密度泛函数理论.主要计算了一种吸附式掺杂过渡金属原子Fe在MoS_2上的结构,同时也计算了H_2S,CO_2,CH_4气体在其表面的吸附能,电荷转移,电子密度差等相关参数.结果表明,CH_4对这种材料表现出不敏感的特性,而CO_2、H_2S均表现出吸附的性质,预测这种材料可能作为一种可使用的吸附材料,或是开发作为一种新型的气体预警材料.     

硫在Fe(100)面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,在广义梯度近似下,计算了硫原子在Fe(100)面吸附的结构和电子性质,并计算了其分子轨道和吸附能.同时讨论了相关吸附性质与硫原子表面覆盖度(0.25～1.0ML)的关系.结果表明:硫原子吸附在H住最稳定,吸附能均随浓度的增加而单调增加;B位吸附的硫原子与Fe(100)表面的距离随浓度非单调变化,在0.5 ML时达到最大,是由较高的局域电子云重叠产生的排斥作用所导致;对比分析吸附前后硫和Fe的s及p电子的态密度,显示了硫化亚铁的生成.     

硫在Fe(100)面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,在广义梯度近似下,计算了硫原子在Fe(100)面吸附的结构和电子性质,并计算了其分子轨道和吸附能.同时讨论了相关吸附性质与硫原子表面覆盖度(0.25-1.0ML)的关系.结果表明：硫原子吸附在H位最稳定,吸附能均随浓度的增加而单调增加;B位吸附的硫原子与Fe(100)表面的距离随浓度非单调变化,在0.5ML时达到最大,是由较高的局域电子云重叠产生的排斥作用所导致的;对比分析吸附前后硫和Fe的s及p电子的态密度,显示了硫化亚铁的生成.     

H2O分子在Fe（100）, Fe（110）, Fe（111）表面吸附的第一性原理研究

采用第一性原理研究了H₂O分子在Fe（100）,Fe（110）,Fe（111）三个高对称晶面上的表面吸附.结果表明,H₂O分子在三个晶面上的最稳定结构皆为平行于基底表面的顶位吸附结构.H₂O分子与三个晶面相互作用的吸附能及几何结构计算结果表明H₂O分子与三个晶面的相互作用程度不同,H₂O分子与Fe（111）晶面的相互作用最强,其次是Fe（100）,相互作用最弱的是Fe（110）表面,而这与晶面原子 关键词： 第一性原理 Fe单晶表面 2O分子')" href="#">H₂O分子 分子吸附     

H2S在Cr(111)面上吸附与解离的第一性原理研究

采用了第一性原理研究了H₂S在Cr(111)面的吸附解离过程，利用吸附能、吸附构型和偏态密度图(PDOS)研究了H₂S及其解离产物在Cr(111)面上的吸附情况，都偏向倾斜吸附在Cr(111)面.同时研究了HS/H和S/H共吸附情况，得到共吸附物质在Cr(111)面上有明显的相互作用.最后使用线性同步和二次同步变换方法确定了解离反应的过渡态，了解到第一、二步解离的活化能分别为1.65 eV、0.82 eV,H₂S分子在Cr(111)面上的解离过程是放热反应，反应能为-2.90 eV.     

H2 分子在Li3N(110)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Li₃N(110)晶面的表面吸附. 通过研究H₂/Li₃N(110)体系的吸附位置、吸附能和电子结构发现: H₂分子吸附在N桥位要比吸附在其他位置稳定,此时在Li₃N(110)面形成两个-NH基,其吸附能为1.909 eV,属于强化学吸附;H₂与Li₃N(110)面的相互作用主要是H 1s轨道与N 关键词： 第一性原理 3N(110)')" href="#">Li₃N(110) 2')" href="#">H₂ 吸附和解离     

第一性原理研究O2和H2O在ZnO (101 ̅0)表面上的吸附行为

运用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法研究了O2和H2O单分子在ZnO (101 ̅0)表面上的吸附行为。吸附位点主要考虑了表面的Zn顶位和Zn桥位,同时也考虑了其它可能的吸附行为。对于O2在ZnO (101 ̅0)表面上的吸附设计了9个模型,H2O在ZnO (101 ̅0)表面上的吸附设计了12个模型。通过形成能计算发现,O2在表面上的吸附为正值,H2O的吸附为负值。O2和H2O单分子在表面上发生分子吸附,未见解离形态。对于O2吸附最稳定的结构是O2分子与表面相邻的Zn原子形成了Znslab1-Oads1-Oads2-Znslab2桥连键。其它较为稳定的结构是Oads1原子迁移到下一个表面重复晶胞的O原子位置附近,在表面上形成了Znslab1-Oads1键,同时Oads2原子扩散至表面沟渠上方。对于H2O吸附,不论以何种方式吸附结构都比较稳定。其中最稳定的构型是Oads迁移到下一个表面重复晶胞的O原子位置附近,形成了Znslab1-Oads键以及Oslab3-H氢键。另外较稳定的构型是Oads迁移到ZnO (101 ̅0)表面台阶上方,形成了Znslab1-Oads键以及Oslab1-H氢键。     

甲醛分子在羟基化TiO2-B(100)面吸附的第一性原理研究

利用第一性原理研究TiO₂-B表面上甲醛分子（HCHO）与氧桥位羟基（BH）、钛顶位羟基（TH）共吸附时羟基基团对HCHO分子吸附的影响.结果表明：这两种羟基的存在对HCHO在清洁和羟化表面形成多种化学吸附构型产生不同影响.与HCHO分子共吸附时，氧桥位羟基弱化HCHO的吸附；而钛顶位羟基强化HCHO的吸附，且在不同面积超胞上均能显著强化其吸附.利用电子结构分析不同吸附的内在机制，为理解HCHO分子与TiO₂基材料表面的相互作用提供新的视角.     

过渡金属(Ni)掺杂ZnV2O4的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论下的MS软件模拟了过渡金属Ni掺杂ZnV₂O₄前后的能带结构、态密度以及光学性质.结果表明：ZnV₂O₄具有间接的光学跃迁且能带间隙为0.355 eV,Ni掺杂后能带间隙增加为0.785 eV,且带隙类型不变,引入的Ni-3d轨道电子对ZnV₂O₄的价带和导带组成提供了较大贡献.光学性质结果表明ZnV₂O₄为一种低介电材料,在可见光区的吸收系数和折射率较低,主要表现为紫外吸收.掺杂Ni后,在可见光区的吸收特性和光电导率均增大,有效改善了ZnV₂O₄在可见光区的光电性能.     

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。