单原子分散的Au/Cu(111)表面合金的表面结构与吸附性质

Au-Cu双金属合金纳米颗粒对包括CO氧化和CO2还原等在内的多个反应有较好的催化活性,然而关于其表面性质的研究却相当匮乏。在此工作中,我们通过对低覆盖度的Au/Cu(111)和Cu/Au(111)双金属薄膜退火,制备出了单原子级分散的Au/Cu(111)和Cu/Au(111)合金化表面,并利用高分辨扫描隧道显微镜(STM)和扫描隧道谱(STS)进一步研究了掺杂原子的电子性质及其对CO吸附行为的影响。研究发现,分散在Cu(111)表面的表层和次表层Au单原子在STM上表现出不同衬度。在-0.5 e V附近,前者表现出相较于Cu(111)明显增强的电子态密度,而后者则明显减弱。吸附实验表明表层Au单原子对CO的吸附能力并没有得到增强,甚至会减弱其周围Cu原子的吸附能力。与Au在Cu(111)表面较好的分散相反,Cu原子倾向于钻入Au(111)的次表层,并且形成多原子聚集体。且Cu原子受Au(111)衬底吸电子作用的影响,其对CO的吸附能力明显减弱。这个研究结果揭示了合金表面的微观结构与性质的关联,为进一步阐明Au-Cu双金属催化剂的表面反应机理提供参考。     

Fe(100)表面Cu单层膜上CO的吸附,解离以及C-C偶合反应

采用密度泛函方法研究了Fe(100)表面Cu单层膜上CO的吸附,直接解离,氢助解离以及C-C偶合反应.相比洁净的Fe(100)表面,在Fe(100)的单层Cu膜上,CO的吸附和活化都减弱了.特别是,相比Fe(100)上CO的解离能垒1.08 eV,铜单层膜上CO解离能垒高达2.4 eV.在H原子共吸附的情况下,Fe(1...     

CO2在金属表面活化的能学方法研究

应用UBI-QEP方法, 估算了CO2-在金属表面的吸附热, 并计算了CO2在Cu(111)、Pd(111)、Fe(111)、Ni(111)表面的各种反应途径的活化能垒. 结果表明, CO2-在4种过渡金属表面相对的稳定性和CO2解离吸附的活性顺序一致,均为Fe>Ni>Cu>Pd. 说明CO2-可能是CO2解离吸附的关键中间体. 在Cu、Pd、Ni表面上, CO2解离吸附的最终产物是CO,而在Fe表面其最终会解离成C和O. 在Cu、Fe、Ni表面, CO2加氢活化是一种有效模式, 而在Pd上则不容易进行. 在Cu和Pd表面,碳酸盐物种也可能是CO2活化的重要中间体.     

单原子Ge助剂修饰Cu(111)晶面上CO2加氢制甲醇的机理研究

针对CO₂热催化转化制甲醇过程中CO₂吸附、活化较困难及副产物较多的问题,提出采用单原子Ge助剂修饰Cu (111)晶面的解决思路,通过密度泛函理论(DFT)计算研究了CO₂在Ge-Cu(111)晶面上加氢合成甲醇的反应机理。结果表明,单原子Ge助剂的电子调控增加了与其相邻的Cu原子的电子云密度,使CO₂分子在含Ge活性界面上的吸附能力显著增强：CO₂在Ge-Cu(111)晶面上的吸附能约为Cu (111)晶面的1.5倍,约为Pd改性Cu(111)晶面的2.4倍,进而使逆水煤气变换(RWGS)反应路径速控步骤的活化能降低了近20 kJ·mol^-1,同时衍生出3条生成甲醇的RWGS新路径;此外,Ge-Cu(111)晶面上甲酸盐路径由于速控步骤活化能大幅上升而被禁阻,进而CO及烃类等副产物选择性大幅降低,Ge-Cu(111)晶面上CO₂加氢制甲醇选择性升高。     

单原子Ge助剂修饰Cu(111)晶面上CO2加氢制甲醇的机理研究

针对CO₂热催化转化制甲醇过程中CO₂吸附、活化较困难及副产物较多的问题,提出采用单原子Ge助剂修饰Cu(111)晶面的解决思路,通过密度泛函理论(DFT)计算研究了CO₂在Ge-Cu(111)晶面上加氢合成甲醇的反应机理。结果表明,单原子Ge助剂的电子调控增加了与其相邻的 Cu 原子的电子云密度,使 CO₂分子在含 Ge 活性界面上的吸附能力显著增强:CO₂在 Ge-Cu(111)晶面上的吸附能约为Cu(111)晶面的1.5倍,约为Pd改性Cu(111)晶面的2.4倍,进而使逆水煤气变换(RWGS)反应路径速控步骤的活化能降低了近 20 kJ·mol^-1,同时衍生出 3条生成甲醇的 RWGS新路径;此外,Ge-Cu(111)晶面上甲酸盐路径由于速控步骤活化能大幅上升而被禁阻,进而CO及烃类等副产物选择性大幅降低,Ge-Cu(111)晶面上CO₂加氢制甲醇选择性升高。     

CO和H2分子在Cu(111)面的吸附和溶剂化效应

采用广义梯度近似(GGA)密度泛函理论(DFT)的PW91方法结合周期性模型, 在DNP基组下, 利用Dmol3模块研究了CO和H2在真空和液体石蜡环境下在Cu(111)表面上不同位置的吸附. 计算结果表明, 溶剂化效应对H2和CO的吸附结构参数和吸附能的影响非常显著. 在液体石蜡环境下, H2平行吸附在Cu(111)表面是解离吸附, 而CO 和H2在两种环境下的垂直吸附都是非解离吸附. 相比真空环境吸附, 在液体石蜡环境中, Cu(111)吸附CO时, 溶剂化效应能够提高CO吸附的稳定性, 同时有利于CO的活化. 在真空中, H2只能以垂直方式或接近垂直方式吸附在Cu(111)表面. 当Cu(111)顶位垂直吸附H2, 相比真空环境吸附, 溶剂化效应能够提高H2吸附的稳定性, 但对H2的活化没有明显影响. Cu(111)表面的桥位或三重穴位(hcp和fcc)垂直吸附H2时, 溶剂化效应能明显提高H2的活化程度, 但降低H2的吸附稳定性; 在液体石蜡中, 当H2平行Cu(111)表面吸附时, 溶剂化效应使H—H键断裂, 一个H原子吸附在fcc位, 另一个吸附在hcp位.     

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.     

CO2在金属表面活化的UBI-QEP方法研究

应用UBI-QEP方法估算了金属表面上形成的活化吸附态CO₂^-在Cu(111),Pd(111),Fe(111)和Ni(111)表面上的吸附热,计算了各种相关反应的活化能垒.结果表明,CO₂^-在4种过渡金属表面的相对稳定性的顺序为Fe>Ni>Cu>Pd;在Fe和Ni表面上CO₂^-较易生成,且容易进一步发生解离反应,在Fe表面会解离成C和O吸附原子,而在Ni表面上解离的最终产物为CO和O;在Cu表面上,CO₂^-虽较难形成,但其加氢反应的活化能比解离反应低,因此加氢反应是其进一步活化的有效模式;在Pd表面上,CO₂^-吸附态在能量上很不稳定,所以CO₂在Pd表面上不容易活化.     

CO和H在Pt/WC(0001)表面的吸附

采用密度泛函理论(DFT)和周期平板模型,研究两种WC(0001)表面的几何结构和表面能,并对Pt原子单层(PtML)在两种WC(0001)表面的高对称性吸附位上的吸附能和分离功进行计算.结果发现,终止于W原子的WC(0001)为最稳定的WC(0001)表面,Pt原子单层以hcp位的方式吸附于W终止的WC(0001)表面是PtML/WC(0001)体系最稳定的几何构型.在此基础上研究了CO分子和H原子分别在PtML/WC(0001)表面和具有相似表面结构的Pt(111)表面的吸附行为.在0.25 ML(monolayer)低覆盖度下,与在Pt(111)表面相比,在PtML/WC(0001)表面上的Pt—C间距明显拉长和CO分子吸附能减少,说明PtML/WC(0001)表面抗CO中毒能力比Pt(111)表面高;态密度分析进一步解释了CO分子与不同表面Pt原子的成键机理.在同一覆盖度下,H原子在PtML/WC(0001)表面的最大吸附能等于甚至略高于在Pt(111)表面的,表明Pt/WC对氢气氧化反应具有良好的催化活性,是一种很有前途的质子交换膜燃料电池(PEMFC)阳极催化剂.     

改性SiO2对铁基催化剂H2、CO吸附及加氢性能的影响

采用溶胶凝胶方法通过掺杂修饰剂M（M=Mn、Zn、Zr、Sr）制备出改性SiO₂载体,再用浸渍法将Fe元素负载于该载体上制成系列催化剂。采用X射线衍射（XRD）、氮气物理吸附-脱附、X射线光电子能谱（XPS）等手段表征了催化剂的织构性质、晶相组成和电子性质。利用程序升温手段研究了催化剂的H₂还原吸附性质和CO加氢性能。借助动力学分析方法研究了催化剂与H之间的相互作用。结果表明,少量掺杂的修饰剂对催化剂的Fe物相组成以及表面Fe物种电子状态基本没有影响,但降低了催化剂的比表面积以及活性相分散度,削弱了对H₂的吸附能力,降低催化剂的H₂脱附活化能。Zn、Zr的掺杂抑制了催化剂的还原,而Mn、Sr的掺杂却促进催化剂的还原。Mn、Zn、Zr的掺杂抑制催化剂表面CO的解离吸附,Sr则促进CO的解离吸附,Mn、Zn、Zr、Sr均促进低温区间C-C耦合和加氢反应,其中,Mn、Zr促进加氢的作用更显著。     

Density function theory study of CO adsorption on Fe3O4(111) surface

Density functional theory calculations have been carried out for CO adsorption on the Fe(oct2)- and Fe(tet1)-terminated Fe(3)O(4)(111) surfaces, which are considered as active catalysts in water-gas shift reaction. It is found that the on-top configurations are most stable on these two surfaces. Some bridge configurations are also stable in which the new C-O bond formed between the surface O atom and the C atom of CO. The adsorption on the Fe(oct2)-terminated surface is more stable than on the Fe(tet1)-terminated surface. The density of state reveals the binding mechanism of CO adsorption on the two surfaces. Our calculations have also shown that the absorbed CO can migrate from the on-top site to the bridge site or 3-fold site. The oxidation of CO via surface oxygen atoms is feasible, which is in good agreement with experimental results.     

Near Ambient Pressure Adsorption of Nickel Carbonyl Contaminated CO on Cu(111) Surface

Formation of volatile nickel carbonyls with CO in catalytic reaction is one of the mechanisms of catalyst deactivation. CO is one of the most popular probe molecules to study the surface properties in model catalysis. Under ultra-high vacuum (UHV) conditions, the problem of nickel carbonyl impurity almost does not exist in the case that a high purity of CO is used directly. While in the near ambient pressure (NAP) range, nickel carbonyl is easily found on the surface by passing through the Ni containing tubes. Here, the NAP techniques such as NAP-X-ray photoelectron spectroscopy and NAP-scanning tunneling microscopy are used to study the adsorption of nickel carbonyl contaminated CO gas on Cu(111) surface in UHV and NAP conditions. By controlling the pressure of contaminated CO, the Ni-Cu bimetallic catalyst can form on Cu(111) surface. Furthermore, we investigate the process of CO adsorption and dissociation on the formed Ni-Cu bi-metal surface, and several high-pressure phases of CO structures are reported. This work contributes to understanding the interaction of nickel carbonyl with Cu(111) at room temperature, and reminds the consideration of CO molecules contaminated by nickel carbonyl especially in the NAP range study.     

FTIR study of CO adsorption on Rh/MgO modified with Co, Ni, Fe, or CeO2 for the catalytic partial oxidation of methane

The surface state of Rh/MgO catalysts modified with Co, Ni, Fe, or CeO(2) after the reduction and partial oxidation pretreatments as well as during the catalytic partial oxidation of methane has been investigated by FTIR of adsorbed CO. The results of CO adsorption on the reduced catalysts suggest the formation of Rh-M alloy on Rh-M/MgO (M = Co, Ni, Fe) and Rh particles partially covered with reduced ceria on Rh-CeO(2)/MgO. The strength of CO adsorption on Rh/MgO is weakened by the modification with Co, Ni, Fe, or CeO(2). Partial oxidation pretreatment of Rh/MgO leads to a significant decrease in the CO adsorption due to the oxidation of Rh. In contrast, on partially oxidized Rh-M/MgO (M = Co, Ni, Fe) and Rh-CeO(2)/MgO, the preferential oxidation of the surface M atoms or reduced ceria maintains the metallic Rh and preserves the CO adsorbed on the surface Rh atoms. The CO adsorption during the reaction of catalytic partial oxidation of methane on Rh/MgO and Rh-Ni/MgO is similar to that on the reduced catalysts. On the other hand, the CO adsorption during the reaction on Rh-Co/MgO, Rh-Fe/MgO, and Rh-CeO(2)/MgO is different from that on the reduced catalysts, and this is related to the structural change of these catalysts during the reaction.     

单晶表面上水-气转移反应动力学及可逆吸附的作用—─Monte Carlo 模拟研究

用二元方格网络表示Ｃｕ（１１１）单晶表面上吸附活性位构型，建立了一个水－气转移反应的蒙特卡罗模型；对水－气转移反应的动力学进行了模拟，并研究了可逆吸附在表面反应中的重要作用．当水的解离吸附为反应的决速步骤时，模拟得到的ＣＯ和Ｈ２Ｏ的反应级数与Ｃａｍｐｂｅｌ等的单晶实验结果一致．模拟研究还表明，可逆吸附不仅可以抑制催化剂表面同种吸附物种ｃｌｕｓｔｅｒ的形成，而且可以不断提供新的吸附活性位，从而使表面反应稳定进行得以维持．