N_2在单原子催化剂Ir/MoS_2表面上吸附的第一性原理研究

利用密度泛函理论,在slab模型下,研究N_2在单原子催化剂Ir_1/MoS_2上的吸附行为,结果表明,N_2的优势吸附位为Ir原子的顶位,构型为垂直向下,吸附能达到1.57 eV,是化学吸附.电子结构说明主要是吸附N原子的2Pz轨道在Z方向上与Ir的5d_z~2、5d_(xz)、5d_(yz)、6P_z混合得以使N_2稳定吸附在Ir原子上.     

单原子催化剂Ir1/MoS2表面上的NH3吸附与直接分解的第一性原理

NH₃的催化分解一直是制备高纯度氢的有效途径之一,因此具有良好的催化活性的贵金属被广泛的应用于催化解离的研究中.然而,由于纯金属催化剂的利用效率低,增加催化成本.最近的研究发现单原子催化剂Ir₁/MoS₂以其突出的优势被认为是一种潜在的能替代现有贵金属催化剂的材料.本文采用密度泛函理论与周期性平板模型相结合的方法,研究了NH₃在单原子催化剂Ir₁/MoS₂上的吸附与活化.结果表明:NH₃的优势吸附位为Ir原子的顶位,构型为倾斜结构(atop),NH₃与体系表面的金属Ir成键,吸附能达到1.63 eV,是化学吸附;进一步分析了NH₃直接催化分解的反应路径,给出了相应的反应热、活化能,结果显示NH₃在atop位的解离比脱附有利,第一步脱氢反应活化能最小,N-H键易断裂,第二步反应能垒较高,此步为整个反应的决速步.     

硼掺杂增强g-C3N4基单原子催化剂性能的第一性原理研究

单原子催化剂(SACs)以其最大的金属原子利用率和较高的催化活性而备受关注.本文提出了在Mn负载g-C₃N₄单层(Mn/g-C₃N₄)中进行B掺杂的方案来提升单原子催化剂的光催化活性,并利用第一性原理对Mn/B-g-C₃N₄单原子催化剂的晶体结构,电子结构,带边位置和光学性质进行计算.计算结果表明B掺杂具有较强的结构稳定性,带隙变小,同时带隙中出现杂质能级,导致吸收边向可见光区发生红移,提高了g-C₃N₄在太阳光下光吸收能力和光催化活性,研究结果为制备高效的g-C₃N₄基光催化SACs提供了理论指导.     

B（N）掺杂单壁碳纳米管的Al原子吸附性能的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波赝势方法和广义梯度近似,对未掺杂、掺B、掺N的碳纳米管(CNT)不同位置上Al原子的吸附进行了几何优化,计算了吸附Al、掺杂前后CNT的能带结构、态密度、差分电荷密度、电荷布居数和吸附能.计算结果表明,掺B使CNT形成缺电子状态,利于具有自由电子的Al原子的吸附结合,可显著提高Al在金属性的(5,5)CNT和半导性的(8,0)CNT外壁的吸附能;掺杂N形成多电子状态,在费米能级附近半满的施主能级也利于填充Al的价电子,改善Al在(5,5)CNT和(8,0)CNT外壁的吸附结合性 关键词： 密度泛函理论 单壁碳纳米管 B(N)掺杂 Al原子吸附     

P掺杂单壁硅纳米管Mg原子吸附性能的第一性原理研究

采用密度泛函理论的广义梯度近似和平面波赝势方法,研究P掺杂单壁硅纳米管对Mg原子的吸附性能.计算本征、掺杂P、施加形变作用（压缩和拉伸）的（6,6）硅纳米管外壁对Mg原子的吸附能,分析掺杂P前后的成键情况及电荷布局数.结果表明,掺杂P使体系形成Mg-P和Si-P间的离子性键,增强了Si-Si间的离子性键,P掺杂硅纳米管超晶格中离子键与共价键共存;掺杂P后显著提高了硅纳米管外壁对Mg原子的吸附能力;硅纳米管外壁对Mg原子的吸附能在0.25%,0.50%,1.00%,1.25%的压缩量和1.00%,1.25%的拉伸量时增大,可显著增强硅纳米管材料作为增强相时与基体界面间结合的粘附性.     

Rh在CeO_2(111)表面吸附的第一性原理研究

采用基于广义梯度近似的投影缀加平面波(Projector augmented wave)赝势和具有三维周期性边界条件的超晶胞模型,用第一原理计算方法,计算并分析了Rh在CeO_2(111)表面吸附所形成的Rh/CeO_2(111)界面体系的吸附能,价键结构和局域电子结构.考虑了Rh在不同吸附位置的吸附情况.结果表明:1)Rh在CeO_2(111)面有较大的吸附能,表明Rh与CeO_2(111)面有较强的相互作用,而且Rh在位于表面O的三度位,且位于次层氧的顶位的吸附最强;2)Rh的4d态同衬底O的2p态有明显的杂化作用,这是Rh同CeO_2较强作用的主要原因;3)Rh被CeO_2(主要是Rh的次近邻的Ce)氧化为Rh~(3+),并伴随着Ce~(4+)→Ce~(3+)反应的发生.     

Pd与CeO2(111)面的相互作用的第一性原理研究

采用基于广义梯度近似的投影缀加平面波(projector augmented wave) 赝势和具有三维周期性边界条件的超晶胞模型,用第一性原理计算方法,计算并分析了Pd在CeO2(111)面上不同覆盖度时的吸附能,价键结构和局域电子结构. 考虑了单层Pd和1/4单层Pd两种覆盖度吸附的情况. 结果表明:1)在单层吸附时,Pd的最佳吸附位置是O的顶位偏向Ce的桥位;在1/4单层吸附时,Pd最易在O的桥位偏向次层O的顶位吸附.2) 单层覆盖度吸附时,吸附原子Pd之间的作用较强;1/4单层覆盖度吸附时,同层吸附的Pd之间的几乎没有相互作用. 同时在低覆盖度吸附时,Pd和CeO2衬底的相互作用较高覆盖度时强.3) Pd的吸附只对其近邻的衬底原子结构有明显影响.4) Pd在CeO2衬底上吸附后,Pd和CeO2衬底的活性增强,并可能在Pd与CeO2界面处形成活性中心. 以上结果有助于人们对三元催化剂中Pd与CeO2的协同作用机理的理解.     

ZnO 极性表面及其N原子吸附机理的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理赝势法计算了ZnO极性表面的几何结构和电子结构特性,对比分析了ZnO(0001)和ZnO(0001)表面结构弛豫、能带结构、电子态密度及N吸附ZnO极性表面的形成能情况.计算结果表明: 相对于ZnO(0001)表面,ZnO(0001)表面受结构弛豫影响更加明显,而ZnO(0001)表面完整性更好.相对于体相ZnO结构,ZnO(0001)表面的能带带隙变窄,同时价带顶附近能级非局域性增强使晶体表面的导电性能变得更好;而ZnO(0001)表面的能带带隙变宽,由于O^{-关键词： 密度泛函理论 第一性原理 ZnO极性表面 N吸附}     

单层MoS_2分子掺杂的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法的计算,研究了通过吸附不同有机分子对单层MoS2进行化学掺杂.计算结果表明有机分子与MoS2单层衬底间的相互作用主要是范德瓦尔斯作用力.吸附不同有机分子的单层MoS2结构均表现出间接带隙的特征,还表明吸附TTF分子的单层MoS2结构表现出n型半导体的特质,而吸附TCNQ,TCNE两种分子的单层MoS2结构均表现出p型半导体的性质,这些结果表明可以通过改变吸附的分子来实现对单层MoS2的掺杂类型的调控.本文的研究结果将对单层MoS2在晶体管中的应用提供理论基础和指导.     

卟啉基非金属纳米片用于可见光光催化制氢

本文基于密度泛函理论预测了一种用于可见光范围光催化制氢的新型二维非金属纳米材料,该材料可以由HTAP分子脱氢聚合得到,具有良好的结构稳定性,且带隙为2.12 eV,可以实现可见光区域的光捕获. 材料的带边能级位置恰好包裹水的氧化还原电位,有利于实现全光解水. 电子的迁移率略高于空穴的迁移率,有利于光生载流子的分离. 光生电子可以提供足够的驱动力使得析氢反应自发进行.     

Transition metal anchored on C9N4 as a single-atom catalyst for CO2 hydrogenation: A first-principles study

To alleviate the greenhouse effect and maintain the sustainable development, it is of great significance to find an efficient and low-cost catalyst to reduce carbon dioxide (CO₂) and generate formic acid (FA). In this work, based on the first-principles calculation, the catalytic performance of a single transition metal (TM) (TM = Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Ir, Pt, Au, or Hg) atom anchored on C₉N₄ monolayer (TM@C₉N₄) for the hydrogenation of CO₂ to FA is calculated. The results show that single TM atom doping in C₉N₄ can form a stable TM@C₉N₄ structure, and Cu@C₉N₄ and Co@C₉N₄ show better catalytic performance in the process of CO₂ hydrogenation to FA (the corresponding maximum energy barriers are 0.41 eV and 0.43 eV, respectively). The partial density of states (PDOS), projected crystal orbital Hamilton population (pCOHP), difference charge density analysis and Bader charge analysis demonstrate that the TM atom plays an important role in the reaction. The strong interaction between the 3d orbitals of the TM atom and the non-bonding orbitals (1π_g) of CO₂ allows the reaction to proceed under mild conditions. In general, our results show that Cu@C₉N₄ and Co@C₉N₄ are a promising single-atom catalyst and can be used as the non-precious metals electrocatalyst for CO₂ hydrogenation to formic acid.     

Theoretical study on the catalytic properties of single-atom catalyst stabilised on silicon-doped graphene sheets

ABSTRACT

The stable configurations, electronic structures and catalytic activities of single-atom metal catalyst anchored silicon-doped graphene sheets (3Si-graphene-M, M?=?Ni and Pd) are investigated by using density functional theory calculations. Firstly, the adsorption stability and electronic property of different gas reactants (O₂, CO, 2CO, CO/O₂) on 3Si-graphene-M substrates are comparably analysed. It is found that the coadsorption of O₂/CO or 2CO molecules is more stable than that of the isolated O₂ or CO molecule. Meanwhile, the adsorbed species on 3Si-graphene-Ni sheet are more stable than those on the 3Si-graphene-Pd sheet. Secondly, the possible CO oxidation reactions on the 3Si-graphene-M are investigated through Eley–Rideal (ER), Langmuir–Hinshelwood (LH) and new termolecular Eley–Rideal (TER) mechanisms. Compared with the LH and TER mechanisms, the interaction between 2CO and O₂ molecules (O₂?+?CO → CO₃, CO₃?+?CO → 2CO₂) through ER reactions (< 0.2?eV) are an energetically more favourable. These results provide important reference for understanding the catalytic mechanism for CO oxidation on graphene-based catalyst.     

First-principle study on the effect of high Li-2N co-doping on the conductivity of ZnO

Based on the density functional theory (DFT), using first-principles plane-wave ultrasoft pseudopotential method, the models of the unit cell of pure ZnO and two highly Li-2N co-doped supercells of Zn_0.9375Li_0.0625O_0.875N_0.125 and Zn_0.9167Li_0.0833O_0.8333N_0.1667 were constructed, and the geometry optimization for the three models was carried out. The total density of states (TDOS) and the band structures (BS) were also calculated. The calculation results showed that in the range of high doping concentration, when the co-doping concentration is more than a certain value, the conductivity decreased with the increase of co-doping concentration of Li-2N in ZnO, which agrees with the change trend of the experimental results.     

N，Ga共掺杂实现p型ZnO的第一性原理研究

采用第一性原理的超软赝势方法,研究了纤锌矿ZnO在本征及N-Ga,2N-Ga共掺杂情况下的几何结构、能带、电子态密度.结果显示,共掺杂N-Ga构型具有更稳定的结构.研究还发现:共掺杂2N-Ga的ZnO结构有效地提高了载流子浓度,非局域化特征明显,更有利于获得p型ZnO.     

Mg~(2+)掺杂锰酸锂的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对Mg~(2+)掺杂锰酸锂的晶格常数与能带结构、态密度、键布居进行计算和分析,计算结果表明:掺杂Mg~(2+)后将会促使Mn、 O原子的电荷重新分布且其相互作用加强,能带带隙减小,费米能级附近的带数增加,费米能由-1.29 eV增加到-1.02 eV, Mn、 O、 Mg在总态密度中贡献比较大,锂离子贡献比较小且峰型尖锐局域化严重,提高了Li~+的扩散效率, Mn—O键变短,共价性增强,形成的共价键较稳定,其相互作用形成的骨架较稳定不易坍塌.从而提高了材料的循环充放电性能和电池使用寿命.     

Si-doped C3N monolayers as efficient single-atom catalysts for the reduction of N2O: a computational study

Density functional theory calculations are performed to probe reaction pathways of N₂O reduction by CO molecule catalysed over Si-doped C₃N (Si-C₃N) nanosheets. According to our results, a single Si atom can be stabilised above the C- or N-vacancy site of C₃N due to the formation of strong Si-N or Si-C covalent bonds. The reduction of N₂O over Si-C₃N is characterised as a two-step process. First, N₂O is dissociated to N₂ and an activated oxygen atom (O_ads) without an energy barrier. Then, the O_ads moiety is removed by CO molecule by overcoming negligible activation energy.     

First-principle study of the hydrogen bonds in a thin film of phthalocyanine molecules

The nature and the strength of intermolecular contacts involved in molecular self-assemblies on a substrate strongly depend on the surrounding functional atoms. Recently, it has been shown that deposition of chlorine-zinc-phthalocyanine (ZnPcCl₈) molecules on Ag(1 1 1) leads to a compact arrangement governed by the activation of a Cl ? H-C bond network. A detailed theoretical study of these contacts based on first-principle density functional calculations and topological analysis of the electron density is reported in this paper. This study reveals that the mechanism of the Cl ? H-C contacts is similar to that of weak hydrogen bonds.     

C24N24负载Sc单原子催化剂催化甲烷氧化为甲醇的理论计算

甲醇是一种很有前途的清洁能源,有望替代不可再生的石油能源.因此,将储量巨大,但不易运输的甲烷氧化为甲醇具有十分重要的意义.首先通过密度泛函理论(density functional theory, DFT)计算研究了Sc原子与C₂₄N₂₄之间的稳定性.结果表明,Sc原子与C₂₄N₂₄的结合能(-9.064 eV)小于Sc原子的内聚能(-4.518 eV),即Sc@C₂₄N₂₄具有良好的稳定性.在此基础上,进一步研究了甲烷在Sc@C₂₄N₂₄表面催化氧化制备甲醇的工艺过程,以N₂O为氧化剂在Sc@C₂₄N₂₄单原子上进行甲醇的催化氧化反应.结果表明：N₂O首先吸附在Sc@C₂₄N₂₄上,然后直接分解为N₂和O_ads.N₂...     

元素替代对LiNH2储氢材料释氢能力影响的第一性原理研究

采用第一性原理赝势平面波方法,研究了元素替代对 LiNH₂释氢能力影响及作用机理.计算给出了结合能、电子态密度、电荷布居,分析了结构的稳定性和原子间的成键情况.结果表明：金属Ca,Na,Al替代LiNH₂部分Li时,可以使N—H键有所减弱.Mg,Al同时替代Li时,效果最好.在Li（Mg）NH₂中,非金属元素B,C,P替代N时,C的效果最好.预测Mg,Al,C共同替代时,会得到的一种较低释氢温度的储氢材料. 关键词： 2储氢材料')" href="#">LiNH₂储氢材料 密度泛函理论 元素替代行为 释氢能力     

HCOOH在Pd-Fe(111)(nPd∶nFe=1∶1)表面吸附的密度泛函理论研究简

采用密度泛函理论与周期性平板模型相结合的方法,对HCOOH在Pd(111)表面top,fcc,hcp,bridge四个吸附位和Pd-Fe(111)表面Pd-top,Fe-top,PdPd-bridge,PdFe-bridge,FeFe-bridge,Pd2Fehcp,PdFe2-hcp,Pd2Fe-fcc,PdFe2-fcc等9个吸附位的13种吸附模型进行了能量计算、构型优化,得到了HCOOH较有利的吸附位;并对清洁表面进行能带分析.结果表明:掺杂Fe后,Pd催化剂对HCOOH催化活性增强;HCOOH在Pd(111)表面的最稳定吸附位fcc的吸附能是-41.8kJ·mol-1,在Pd-Fe(111)表面的最稳定吸附位Pd2Fe-hcp的吸附能是-126.5kJ·mol-1,而且HCOOH在金属表面属于化学吸附.