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1.
Zhichao Huang Yazhong Dai Xiaojie Wen Dan Liu Yuxuan Lin Zhen Xu Jian Pei Kai Wu 《物理化学学报》2020,36(1):1907043-0
Pure organic radical molecules on metal surfaces are of great significance in exploration of the electron spin behavior. However, only a few of them are investigated in surface studies due to their poor thermal stability. The adsorption and conformational switching of two verdazyl radical molecules, namely, 1, 5-biisopropyl-3-(benzo[b]benzo[4,5]thieno[2, 3-d]thiophen-2-yl)-6-oxoverdazyl (B2P) and 1, 5-biisopropyl-3-(benzo[b]benzo[4,5]thieno[2, 3-d]thiophen-4-yl)-6-oxoverdazyl (B4P), are studied by scanning tunneling microscopy (STM) and density functional theory (DFT). The adsorbed B2P molecules on Au(111) form dimers, trimers and tetramers without any ordered assembly structure in which two distinct appearances of B2P in STM images are observed and assigned to be its "P" and "T" conformations. The "P" conformation molecules appear in the STM image with a large elliptical protrusion and two small ones of equal size, while the "T" ones appear with a large protrusion and two small ones of different size. Likewise, the B4P molecules on Au(111) form dimers at low coverage, strip structure at medium coverage and assembled structure at high coverage which also consists of above-mentioned two conformations. Both B2P molecules and B4P molecules are held together by weak intermolecular interaction rather than chemical bond. STM tip induced conformational switching of both verdayzl radicals is observed at the bias voltage of +2.0 V. The "T" conformation of B2P can be switched to the "P" while the "P" conformation of B4P can be switched to the "T" one. For both molecules, such a conformational switching is irreversible. The DFT calculations with Perdew-Burke-Ernzerhof version exchange-correlation functional are used to optimize the model structure and simulate the STM images. STM images of several possible molecular conformations with different isopropyl orientation and different tilt angle between verdazyl radical and Au(111) surface are simulated. For conformations with different isopropyl orientation, the STM simulated images are similar, while different tilt angles of verdazyl radical lead to significantly different STM simulated images. Combined STM experiments and DFT simulations reveal that the conformational switching originates from the change of tilting angle between the verdazyl radical and Au(111) surface. The tilt angles in "P" and "T" conformations are 0° and 50°, respectively. In this study, two different adsorption conformations of verdazyl radicals on the Au(111) surface are presented and their exact adsorption structures are identified. This study provides a possible way to study the relationship between the electron spin and configuration conversion of pure organic radical molecules and a reference for designing more conformational switchable radical molecules that can be employed as interesting molecular switches. 相似文献
2.
《物理化学学报》2018,(12)
利用NO_2或O_2作为氧化剂,研究了氧化锌在Au(111)和Cu(111)上的生长和结构。NO_2表现了更好的氧化性能,有利于有序氧化锌纳米结构或薄膜的生长。在Au(111)和Cu(111)这两个表面上,化学计量比氧化锌都形成非极性的平面化ZnO(0001)的表面结构。在Au(111)上,NO_2气氛下室温沉积锌倾向于形成双层氧化锌纳米结构;而在更高的沉积温度下,在NO_2气氛中沉积锌则可同时观测到单层和双层氧化锌纳米结构。O_2作为氧化剂时可导致形成亚化学计量比的ZnOx结构。由于铜和锌之间的强相互作用会促进锌的体相扩散,并且铜表面可以被氧化形成表面氧化物,整层氧化锌在Cu(111)上的生长相当困难。我们通过使用NO_2作为氧化剂解决了这个问题,生长出了覆盖Cu(111)表面的满层有序氧化锌薄膜。这些有序氧化锌薄膜表面显示出莫尔条纹,表明存在一个ZnO和Cu(111)之间的莫尔超晶格。实验上观察到的超晶格结构与最近理论计算提出的Cu(111)上的氧化锌薄膜结构相符,具有最小应力。我们的研究表明,氧化锌薄膜的表界面结构可能会随氧化程度或氧化剂的不同而变化,而Cu(111)的表面氧化也可能影响氧化锌的生长。当Cu(111)表面被预氧化成铜表面氧化物时,ZnOx的生长模式会发生变化,锌原子会受到铜氧化物晶格的限域形成单位点锌。我们的研究表明了氧化锌的生长需要抑制锌向金属基底的扩散,并阻止亚化学计量比ZnOx的形成。因此,使用原子氧源有利于在Au(111)和Cu(111)表面上生长有序氧化锌薄膜。 相似文献
3.
《物理化学学报》2017,(2)
三聚氰胺和蜜勒胺(即三聚氰胺的三聚体)均为合成石墨型氮化碳(g-C_3N_4)的前驱体分子,具有与不同相g-C_3N_4的结构基元类似的骨架结构。本文利用低温扫描隧道显微镜(STM)对比研究了三聚氰胺与蜜勒胺在Au(111)表面上的自组装结构,并对两种分子可能形成的氢键类型进行识别。研究发现,三聚氰胺在表面上仅有一种氢键方式,形成两种组装结构;而蜜勒胺却可以形成三种类型的氢键,并组装成六种有序结构,而且不同类型的氢键在表面的比例随着分子在表面覆盖度的变化而变化。特别的,有些氢键类型之间可以在探针作用下发生转变。这些研究结果将为利用氢键构建和调控表面功能性纳米结构提供新方法,同时也为研究g-C_3N_4的表面原位合成及相关理化性质打下基础。 相似文献
4.
《催化学报》2016,(10)
金催化是纳米催化的代表性体系之一,但对金催化作用的理解还存在争议,特别是金颗粒尺寸对其催化作用的影响.金颗粒尺寸减小导致的表面结构主要变化之一是表面配位不饱和金原子密度的增加,因此研究金原子配位结构对其催化作用的影响对于理解金催化作用尺寸依赖性具有重要意义.具有不同配位结构的金颗粒表面可以利用金台阶单晶表面来模拟.我们研究组以同时具有Au(111)平台和Au(111)台阶的Au(997)台阶表面为模型表面,发现Au(111)台阶原子在CO氧化、NO氧化和NO分解反应中表现出与Au(111)平台原子不同的催化性能.负载型Au颗粒催化甲酸氧化反应是重要的Au催化反应之一.本文利用程序升温脱附/反应谱(TDS/TPRS)和X射线光电子能谱(XPS)研究了甲酸在清洁的和原子氧覆盖的Au(997)表面的吸附和氧化反应,观察到Au(111)台阶原子和Au(111)平台原子不同的催化甲酸根氧化反应行为.与甲酸根强相互作用的Au(111)台阶原子表现出比与甲酸根弱相互作用的Au(111)平台原子更高的催化甲酸根与原子氧发生氧化反应的反应活化能.在清洁Au(997)表面,甲酸分子发生可逆的分子吸附和脱附.甲酸分子在Au(111)台阶原子的吸附强于在Au(111)平台原子的吸附.TDS结果表明,吸附在Au(111)台阶原子的甲酸分子的脱附温度在190 K,吸附在Au(111)平台原子的甲酸分子的脱附温度在170 K.XPS结果表明,分子吸附甲酸的C 1s和O 1s结合能分别位于289.1和532.8 e V.利用多层NO_2的分解反应在Au(997)表面控制制备具有不同原子氧吸附位和覆盖度的原子氧覆盖Au(997)表面,包括氧原子吸附在(111)台阶位的0.02 ML-O(a)/Au(997)、氧原子同时吸附在(111)台阶位和(111)平台位的0.12 ML-O(a)/Au(997)、氧原子和氧岛吸附在(111)平台位和氧原子吸附在(111)台阶位的0.26 ML-O(a)/Au(997).TPRS和XPS结果表明,甲酸分子在105 K与Au(997)表面原子氧物种反应生成甲酸根和羟基物种,但甲酸根物种的进一步氧化反应依赖于Au原子配位结构和各种表面物种的相对覆盖度.在0.02 ML-O(a)/Au(997)表面暴露0.5 L甲酸时,Au(111)台阶位氧原子完全反应,甲酸过量.表面物种是Au(111)台阶位吸附的甲酸根、羟基和甲酸分子.在加热过程中,甲酸分子与羟基在181 K反应生成甲酸根和气相水分子(HCOOH(a)+OH(a)=H_2O+HCOO(a)),甲酸根在340 K发生歧化反应生成气相HCOOH和CO_2分子(2HCOO(a)=CO_2+HCOOH).在0.12 ML-O(a)/Au(997)和0.26 ML-O(a)/Au(997)表面暴露0.5 L甲酸时,甲酸分子完全反应,原子氧过量.表面物种是Au(111)平台位和Au(111)台阶位吸附的甲酸根、羟基和原子氧.在加热过程中,Au(111)平台位和Au(111)台阶位的甲酸根分别在309和340 K同时发生氧化反应(HCOO(a)+O(a)=H_2O+CO_2)和歧化反应(2HCOO(a)=CO_2+HCOOH)生成气相CO_2,H_2O和HCOOH分子.在0.26 ML-O(a)/Au(997)表面暴露10 L甲酸时,甲酸分子和原子氧均未完全消耗.表面物种是Au(111)平台位和Au(111)台阶位吸附的甲酸根、羟基、甲酸分子和原子氧.在加热过程中,除了上述甲酸根的氧化反应和歧化反应,还发生171 K的甲酸分子与羟基的反应(HCOOH(a)+OH(a)=H_2O+HCOO(a))和216 K的羟基并和反应(OH(a)+OH(a)=H_2O+O(a)). 相似文献
5.
采用密度泛函理论研究了吸附有O原子的Au(111)表面上乙醇选择性氧化的反应机理.反应结果表明,除O原子和中间产物二齿醋酸根(CH3CHOO)外,其他中间产物在Au(111)表面扩散能垒均较低,不会对反应速控步骤的确定造成影响.乙醇羟基氧化脱氢为反应的第一步骤,当氧化剂为吸附态的O原子或者为OH基时,反应活化能分别为0.20和0.17eV.氧化产物乙氧基(CH3CH2O)进一步氧化脱氢生成乙醛则需要表面吸附的O原子或另一表面吸附的OH基的参与,所需活化能为0.29或0.27eV.同时,乙醛易与表面吸附的乙氧基反应生成乙氧基半缩醛(CH3CHOOC2H5),其可进一步与O原子作用,脱氢形成乙酸乙酯.此外,在乙醛深度氧化成酸的过程中需要克服较高的反应能垒,因而在表面反应温度较低时无法进行,这与实验结果相符. 相似文献
6.
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. 相似文献
7.
甲醇在Au(111)表面吸附的密度泛函研究 总被引:2,自引:0,他引:2
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. 相似文献
8.
采用密度泛函理论(DFT),选取DMol3程序模块,对噻吩在M(111)(M=Pd,Pt,Au)表面上的吸附行为进行了探讨.通过对噻吩在不同底物金属上的吸附能、吸附构型、Mulliken电荷布居、差分电荷密度以及态密度的分析发现,噻吩在Pd(111)面上的吸附能最大,Pt(111)面次之,Au(111)面最小.吸附后,噻吩在Au(111)面上的构型几乎保持不变,最终通过S端倾斜吸附于top位;噻吩在Pd(111)及Pt(111)面上发生了折叠与变形,环中氢原子向上翘起,最终通过环平面平行吸附于hollow位.此外,噻吩环吸附后芳香性遭到了破坏,环中碳原子发生sp3杂化,同时电子逐渐由噻吩向M(111)面发生转移,M(111)面上的部分电子也反馈给了噻吩环中的空轨道,这种协同作用最终导致了噻吩分子稳定吸附于M(111)面. 相似文献
9.
《催化学报》2016,(10)
在分子尺度上介绍了Au/TiO_2(110)模型催化剂表面和单晶Au表面CO氧化反应机理和活性位、以及H_2O的作用.在低温(320 K),H_2O起着促进CO氧化的作用,CO氧化的活性位位于金纳米颗粒与TiO_2载体界面(Au~(δ+)O~(δ–)––Ti)的周边.O_2和H_2O在金纳米颗粒与Ti O_2载体界面边缘处反应形成OOH,而形成的OOH使O–O键活化,随后OOH与CO反应生成CO_2.300K时CO_2的形成速率受限于O_2压力与该反应机理相印证.相反,在高温(320 K)下,因暴露于CO中而导致催化剂表面重组,在表面形成低配位金原子.低配位的金原子吸附O_2,随后O_2解离,并在金属金表面氧化CO. 相似文献
10.
By using the established statistical thermodynamic theory of adsorbate-induced surface stress of adsorption monolayer on the metal surface, the surface stress Δgin the self-assembly of alkane thiolson Au (111) surface has been calculated. The quantitative relations of the surfaces tress Δgwith the length of the alkyl chain of the molecule and with the coverage θ of molecules on Au (111) have been theoretically Studied respectively. The calculated results agree with Bergeretalis experiment, and especially the quantitative discrepancy between the theory and experiment on the sign of the surface stress has been resolved.Among various components of the adsorbate-adsorbate interaction energies in the ad layer, the substrate mediated interaction is significant for the adsorbate-induced surface stress, which shows that the indirect contribution of the adsorption energy of alkane thiols through the substrate-mediated interaction is very important.This physical mechanism is similar to that for chloride monolayer on the Au (111) electrode. 相似文献
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利用NO2或O2作为氧化剂,研究了氧化锌在Au(111)和Cu(111)上的生长和结构。NO2表现了更好的氧化性能,有利于有序氧化锌纳米结构或薄膜的生长。在Au(111)和Cu(111)这两个表面上,化学计量比氧化锌都形成非极性的平面化ZnO(0001)的表面结构。在Au(111)上,NO2气氛下室温沉积锌倾向于形成双层氧化锌纳米结构;而在更高的沉积温度下,在NO2气氛中沉积锌则可同时观测到单层和双层氧化锌纳米结构。O2作为氧化剂时可导致形成亚化学计量比的ZnOx结构。由于铜和锌之间的强相互作用会促进锌的体相扩散,并且铜表面可以被氧化形成表面氧化物,整层氧化锌在Cu(111)上的生长相当困难。我们通过使用NO2作为氧化剂解决了这个问题,生长出了覆盖Cu(111)表面的满层有序氧化锌薄膜。这些有序氧化锌薄膜表面显示出莫尔条纹,表明存在一个ZnO和Cu(111)之间的莫尔超晶格。实验上观察到的超晶格结构与最近理论计算提出的Cu(111)上的氧化锌薄膜结构相符,具有最小应力。我们的研究表明,氧化锌薄膜的表界面结构可能会随氧化程度或氧化剂的不同而变化,而Cu(111)的表面氧化也可能影响氧化锌的生长。当Cu(111)表面被预氧化成铜表面氧化物时,ZnOx的生长模式会发生变化,锌原子会受到铜氧化物晶格的限域形成单位点锌。我们的研究表明了氧化锌的生长需要抑制锌向金属基底的扩散,并阻止亚化学计量比ZnOx的形成。因此,使用原子氧源有利于在Au(111)和Cu(111)表面上生长有序氧化锌薄膜。 相似文献
12.
本文研究BMIPF6离子液体中Au(111)和Pt(111)表面Ge的电沉积行为. 循环伏安法测试结果表明,在含0.1 mol·L-1 GeCl4的BMIPF6溶液Au(111)和Pt(111)表面均有两个与Ge沉积过程相关的还原峰. 第一个还原峰包含了Ge4+还原成Ge2+及Ge的欠电位沉积,第二个还原峰对应Ge的本体沉积. 现场扫描隧道显微镜研究结果表明,Ge在Au(111)和Pt(111)表面均有两层欠电位沉积. 第一层欠电位沉积厚度约为0.25 nm、形貌平整、带有缝隙的亚单层结构. 第二层欠电位沉积形貌相对粗糙的点状团簇结构. 该欠电位沉积过程伴随表面合金化. 相似文献
13.
针对铜表面化学反应,我们发展了一套铜-碳体系的密度泛函紧束缚(DFTB)参数。测试结果表明这套参数可以很好的描述吸附铜或碳原子前后铜表面的几何结构和能量。基于这套参数,我们对Cu(111)表面的碳二聚化过程进行了分子模拟研究。即使在高温下,直接的分子动力学模拟也很难观察到碳二聚体的形成。这是因为高温下铜表面显著的结构弛豫一定程度上阻止了二聚化。为了研究高温下铜表面碳二聚化的机理,我们进行了赝动力学模拟。发现在二聚化的过程中,碳原子形成C-Cu-C桥状结构以后,会绕中间Cu原子转动,最后形成碳二聚体。1300 K下碳二聚化的自由能垒约0.9 eV。 相似文献
14.
以Cl-为例,应用格子气模型,建立了阴离子吸附层对Au(111)表面应力贡献的统计热力学理论,计算了吸附层Cl-离子间相互作用能、表面应力贡献和二维体积弹性模量.计算结果表明, Cl-吸附层对表面应力贡献的大小,与实验值相近;在Cl-低覆盖度时,经验包括ClO4-贡献,计算了表面应力变化-电荷密度曲线,近似呈线性关系;对于Cl-/Au(111)体系,表面应力与表面张力之差与表面应力同量级,两者差别不可忽略.较好地解释了有关的实验事实. 相似文献
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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. 相似文献
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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. 相似文献
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本文通过密度泛函理论和分子动力学模拟方法研究了异氰衍生物在Au(111)表面的吸附和自组装。分别采用平板模型和簇模型对苯异氰的吸附进行了密度泛函理论计算。利用自己建立的Au-C力场参数模拟了2-isocyanoazulene 和1,3-diethoxycarbonyl-2-isocyanoazulene 在 Au(111)的自组装。通过计算得到顶位吸附是最稳定的;通过模拟得出异氰衍生物确实能在Au(111)表面形成有序的面对边自组装单层,并且分子都能垂直位于Au(111)表面上。 相似文献
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利用密度泛函理论研究了CO_2在Fe_3O_4(111)表面Fe_(tet1)和Fe_(oct2)两种终结的吸附行为。在Fe_(tet1)终结表面,当覆盖度为1/5 ML时,CO_2倾向于线性吸附;而在高覆盖度下,弯曲的CO_2与表面O作用形成CO_3~(2-)结构。在Fe_(oct2)终结表面,CO_2倾向于弯曲吸附,在1/6 ML和1/3 ML覆盖度时都可以形成CO_3~(2-)和-COO结构。覆盖度对Fe_(tet1)终结的表面影响很弱,但是对Fe_(oct2)终结的表面影响很大。从热力学上来说,CO_2在Fe_(oct2)终结表面的吸附要比Fe_(tet1)终结表面更有利。 相似文献
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富勒烯与功能分子之间的电荷作用已经被广泛应用于功能性器件的构筑中.这些功能器件的性能与电极表面的薄膜排布结构有着密切关系.因此,研究电极表面的富勒烯和功能分子的组装结构对这些器件的构筑和功能的发挥有着重要意义.本文利用电化学扫描隧道显微镜技术,在HClO4溶液中系统研究了C60分子与有机电子给体-π-受体分子C16H33O-I3CNQ[Z-β-(5-hexadecyloxy-1,3,3-trimethyl-2-indolium)-α-cyano-4-styryl dicyanomethanide]在Au(111)电极表面的二维组装结构.研究发现:C16H33O-I3CNQ分子在Au(111)电极表面组装形成具有短程有序性的条陇状结构;而C60分子在C16H33O-I3CNQ模板之上组装形成了带状结构.C60分子带状结构的形成方向受到了C16H33O-I3CNQ分子中电子给体-π-受体部分排列结构的影响.C60分子与C16H33O-I3CNQ分子之间的π-π堆积作用和电荷转移作用对这种带状结构的形成有着密切关系.这一结果为利用富勒烯和功能分子之间的作用构筑功能器件提供了一种新的制备方法. 相似文献
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碱基是生命体中核酸的重要组成部分,用以携带遗传信息。碱基之间的互补配对行为在DNA和RNA的高保真复制过程中起到重要作用。除了碱基间的特异性识别,碱基分子与金属,盐类和一些小分子也可发生相互作用,特别是与某些金属原子或离子的相互作用会造成核酸的损伤,并可能进一步导致基因突变甚至诱发细胞的癌变。同时,基于DNA金属化形成的纳米器件逐渐成为纳米科技领域的研究热点。因此研究碱基与金属作用的现象和机制对于生物化学和纳米科学都十分重要。扫描隧道显微镜可以在实空间原子尺度下揭示纳米结构,密度泛函理论计算可以帮助确定反应机理。本文对近年来报道的利用以上两种方法在超高真空环境下碱基及其衍生物与碱金属、碱土金属和过渡金属的相互作用进行了介绍,总结了碱基与金属的作用位点及反应发生的机理,并进一步提出单原子尺度下的结构模型、可能的反应路径,进而揭示相互作用的本质。 相似文献