碘和氧修饰银(110)表面对甲醇吸附的影响: 密度 泛函理论的计算研究

用密度泛函理论(DFT)的B3-LYP方法和原子簇模型研究了碘和修饰银(110)表面对甲醇吸附的影响。结果表明,甲醇分子在干净的银表面吸附很弱甚至不吸附,但在氧或碘修饰过的银表面上,由于预吸附导致吸附能的增加而变得容易吸附。并进一步采用目前较新的映像电荷模型计算验证了在甲醇部分氧化制甲醛反应中氧或碘对银催化剂表面修饰的本质是电荷修饰这一推论,为实验中如何筛选修饰提供了良好的判据。     

银表面甲醇氧化反应机理的ab initio计算研究 1: 银表面静态吸附物种的几何构型和吸附性质

本文用原子簇模型(CM)的从头计算方法, 计算了银表面甲醇氧化反应中的静态吸附物种的优化几何构型及吸附性质。计算表明在清洁银表面甲醇、甲醛只存在物理吸附; 当表面存在吸附氧原子时, 甲醇可在银表面形成两种分子态吸附;甲醛与表面羟基OH(a)或氢原子H(a)共存时在银表面能够形成化学吸附, 且CH2O(a)极易与O(a)反应生成深度氧化中间体η^2-甲二氧基; 中间产物甲氧基在无氧的银表面能够形成稳定吸附, 在富氧银表面极易进一步氧化脱氢生成产物甲醛。通过计算与实验结果的对照, 我们对反应机理作了初步讨论。     

银表面甲醇氧化反应机理的ab initio计算研究 1: 银表面静态吸附物种的几何构型和吸附性质

本文用原子簇模型(CM)的从头计算方法, 计算了银表面甲醇氧化反应中的静态吸附物种的优化几何构型及吸附性质。计算表明在清洁银表面甲醇、甲醛只存在物理吸附; 当表面存在吸附氧原子时, 甲醇可在银表面形成两种分子态吸附;甲醛与表面羟基OH(a)或氢原子H(a)共存时在银表面能够形成化学吸附, 且CH2O(a)极易与O(a)反应生成深度氧化中间体η^2-甲二氧基; 中间产物甲氧基在无氧的银表面能够形成稳定吸附, 在富氧银表面极易进一步氧化脱氢生成产物甲醛。通过计算与实验结果的对照, 我们对反应机理作了初步讨论。     

银表面甲醇氧化反应机理的ab initio计算研究 Ⅰ.银表面静态吸附物种的几何构型和吸附性质

本文用原子簇模型(CM)的从头计算方法,计算了银表面甲醇氧化反应中的静态吸附物种的优化几何构型及吸附性质.计算表明在清洁银表面甲醇、甲醛只存在物理吸附;当表面存在吸附氧原子时,甲醇可在银表面形成两种分子态吸附;甲醛与表面羟基OH_(a)或氢原子H_(a)共存时在银表面能够形成化学吸附,且CH_2O_(a)极易与O_(a)反应生成深度氧化中间体η~2-甲二氧基;中间产物甲氧基在无氧的银表面能够形成稳定吸附,在富氧银表面极易进一步氧化脱氢生成产物甲醛.通过计算与实验结果的对照,我们对反应机理作了初步讨论.     

Sr掺杂对CaO(100)表面吸附甲醇影响的分子模拟

借助分子模拟手段,研究了锶掺杂对氧化钙表面甲醇吸附行为的影响。构建了甲醇在CaO(100)和CaO(100)-Sr表面吸附的模型,计算了甲醇在氧化钙表面的吸附能和解离活化能,分析了甲醇在氧化钙表面成键的态密度以及锶掺杂前后甲醇在氧化钙表面电荷布局和差分电荷密度,评估了锶掺杂量对氧化钙表面甲醇吸附性能的影响。结果表明,锶掺杂能够显著强化氧化钙对甲醇的吸附性能,降低甲醇的解离活化能,且吸附性能随锶掺杂量的增加而增强;甲醇在氧化钙表面吸附时活化,锶掺杂后活化程度增加。     

Pt及其修饰电极上甲醇吸附和氧化的CV和EQCM研究

运用电化学循环伏安和石英晶体微天平 (EQCM )研究了 0 .1mol·L- 1H2 SO4 溶液中甲醇在Pt电极和以Sb ,S不可逆吸附原子修饰的Pt(Pt/Sbad和Pt/Sad)电极上的吸附和氧化过程 .结果表明甲醇的氧化与电极表面氧物种有着极其密切的关系 .Pt电极表面Sb吸附原子能在较低的电位下吸附氧 ,可显著提高甲醇电催化氧化活性 .与Pt电极相比较 ,Sb吸附原子修饰的Pt电极使甲醇氧化的峰电位负移了 0 .13V .相反 ,Pt电极表面S吸附原子的氧化会消耗表面氧物种 ,抑制了甲醇的电氧化 .本文从表面质量变化提供了吸附原子电催化作用的新数据     

甲醇与氧在银钯合金上的吸附和反应

本文运用UPS、超高真空程序升温反应谱(TPRS)研究了氧和甲醇在银钯合金上的吸附和反应。实验结果表明, 合金表面存在两种分别与Ag和Pd原子有关的活性位; 少量钯原子的存在, 一方面提供了甲醇分解反应的活性中心, 另一方面通过与银之间的电子相互作用, 削弱了氧与银的结合, 增强了表面吸附氧的反应活性, 从而改变了甲醇氧化反应的选择性。     

UPS和功函数研究氧在电解银上的吸附

本文报导了用紫外光电子能谱(UPS), 热脱附(TDS)和表面功函数连续测量等手段对氧与电解银表面相互作用过程中的电荷传递, 成键以及吸附动力学等研究的实验结果。     

甲醇在电解银催化剂表面上的氧化

＃ 用程序升温反应谱(TPRS)研究了甲醇在电解银工业催化剂表面上的氧化反应。结果表明:除少量H_2O和微量CO_3外,纯净的银表面不吸附CH_3OH,D_2等气体,当银表面预吸附氧后,显著增强了上述气体的吸附和反应。在程序升温过程中,甲醇与预吸附的氧发生表面反应,分别在温度400,500和630K时给出三组分开的产物群。由产物的峰形、峰温和动力学参数得出:第一、第三组产物群的控速步骤是两个不同的表面反应;第二组产物群的控速步骤为反应产物的表面脱附。     

水对甲醇在电解银上氧化反应的影响

本文运用超高真空程序升温反应谱(TPRS),结合瞬变应答和同位素交换方法研究了电解银上氧致甲醇吸附和反应的机理以及水对甲醇氧化的影响.实验结果表明:吸附态的氧能显著增加甲醇的吸附并和甲醇反应生成水;水中的氧来源于吸附态氧,氢来源于甲醇中的甲基氢和羟基氢且以甲基氢居多.水和氧在电解银表面上存在着竞争吸附,水的加入能抑制甲醇氧化为甲醛的副产物CO_2的产生,提高反应选择性.此结果与活性数据一致.     

氧在银表面吸附的EHMO研究

本文应用EHMO法计算了氧原子、氧分子和若干代表Ag(111)表面上不同位置的银原子簇间的位能曲线或位能面。结果表明:在150～250℃间,Ag(111)表面化学吸附氧时,最可能的吸附位置是叠位,被吸附物的价态为O~-。这种单原子氧是氧分子在叠位发生解离吸附所形成。在Ag(111)表面上,不形成双原子氧吸附,它可能只发生在单个Ag原子(或某些高度分散的载体银或特殊的晶体银,其特性类似单个Ag原子)上,被吸附时的价态为O_2~-。     

C1/Ag(111)体系研究 Ⅳ.氯吸附对甲醇吸附氧化的影响

运用HREELS技术对甲醇在预吸附氯的Ag(111)表面上的吸附氧化行为进行了较细致的研究.结果证明Cl对甲醇氧化的影响缘于它在Ag(111)上的吸附所引起的表面结构的改变进而改变表面氧吸附物种,从而使得甲醇氧化的中间产物发生变化.实验结果说明甲醇在Ag(111)和低暴露量氯吸附的Ag(111)表面上的氧化行为是相似的,检测到了中间产物Ⅰ和Ⅲ;在高暴露量氯吸附的Ag(111)上甲醇氧化时则产生中间产物Ⅰ、Ⅳ和甲醛物种.对上述不同的甲醇氧化行为作了分析,并指出了以前人们在考察甲醇氧化机理时只考虑原子氧作用的片面性.     

碘原子在银(110)面吸附的能带理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性模守恒赝势平面波分子动力学方法研究了碘原子在Ag(110)面的吸附性质。首先对银体相性质和Ag(110)面的驰豫进行了计算,验证了生成的赝势的可靠性;随后对碘原子在Ag(110)表面各吸附位的性质进行了研究,最稳定的吸附位是短桥位。另外,本文还考虑了碘原子吸附对Ag(110)表面结构性质的影响。     

氧化铜表面臭氧分解路径及表面氧物种生成机理研究

基于密度泛函理论（DFT）计算研究了O3在完整和具有氧空位的CuO(111)表面吸附的吸附位、吸附结构、吸附能和电子转移情况,比较了O3在完整表面和具有氧空位的表面分解的路径和能垒,分析了氧空位和表面吸附氧的生成机理。结果表明,在完整CuO表面,O3分子通过化学吸附或物理吸附表面结合,吸附能最高为-1.22eV（构型bri(2)）。O3在具有氧空位的CuO表面均为化学吸附,吸附能最高为-2.95eV（构型ovbri(3)）,显著高于完整表面的吸附能。O3吸附后,Cu吸附位的电荷密度减小,O3中的O原子附近的电荷密度显著增强,电荷从CuO表面转移到O3,并形成Cu-O离子键。O3分解后形成了超氧物种,提高了表面的氧化活性。在完整表面,以构型bri(2)为起始构型的路径反应能垒最低,为0.52eV;O2*在完整表面的脱附所需要的最低能量为0.42eV,形成氧空位的O2*脱附能为2.06eV。在具有氧空位的表面,O3分解的反应能垒为0.30eV（构型ovbri(1)）和0.12eV（构型ovbri(3)）,均低于完整表面的反应能垒;分解形成的O2*的最低脱附能也低于完整表面,为0.27eV。可见,氧空位的形成提高了吸附能,降低了反应能垒,使O3分子更容易吸附在CuO表面,并加快了O3的催化分解。     

甘氨酸修饰的Pt(111)电极上的氧还原

利用单晶旋转圆盘电极技术（Hanging Meniscus Rotating Disk Electrode,　HMRD）在硫酸和高氯酸溶液中分别研究了甘氨酸修饰的Pt(111)电极表面氧分子的电催化还原反应. 实验发现：在硫酸溶液中,经甘氨酸修饰的Pt(111)电极表面的氧还原活性明显提高,其中氧还原的半波电位与Pt(111)电极的相比正移约0.1 V,而在高氯酸溶液中,甘氨酸修饰的Pt(111)电极的活性几乎没有发生变化. 该实验结果表明：甘氨酸修饰的Pt(111)电极一方面抑制了SO₄^2-在电极表面的吸附,另一方面又能在电极表面提供相邻的空位供氧分子吸附. 通过与文献中报道的CN^-修饰的Pt(111)电极上的氧还原结果的对比,可以推测甘氨酸修饰的Pt(111)电极表面氧还原活性提高是由于甘氨酸在Pt(111)表面可能先被氧化成CN^-后吸附在电极表面,进而促进了氧分子的电催化还原反应.     

电解银表面氧物种转化的原位拉曼光谱表征

 首次采用原位共焦显微激光拉曼光谱研究了经纯氧预处理后电解银表面吸附的不同氧物种在升温过程中相互转化的情况. 结果发现,当温度低于423 K时, Ag-O2物种缓慢转化为超氧物种 Ag［O-O］-; 温度升高至423 K时, Ag［O-O］-物种将随着时间的延长转化为 Ag-O(α) 物种; 继续升高温度, Ag-O(α) 物种首先转化为 Ag-O-O-Ag 物种,再进一步转化为电解银表面最稳定的 Ag-O(γ) 次表层氧物种并保持至973 K以上. 结合实际反应体系,低温下电解银表面吸附的氧物种主要是分子氧,在类似乙烯环氧化反应的条件下这些分子氧将转化成 Ag-O(α) 物种,而在类似甲醇选择氧化制甲醛的反应条件下又转化为在高温下较稳定的 Ag-O(γ) 物种,根据具体的转化细节推测了可能的机理.     

O2在具有氧和镁缺陷MgO(001)表面的吸附

在密度泛函理论的框架下，采用嵌入点电荷簇模型研究了O2在具有氧缺陷和镁缺陷MgO(001)表面上的吸附.用电荷自洽的方法确定了点电荷的值.计算结果表明，O2倾向吸附在具有氧缺陷的MgO(001)表面上.通过和我们近期研究过的O2在低配位的边、角上吸附结果相比较，发现具有氧缺陷的MgO(001)表面更加有利于O2的吸附和解离. Mülliken电荷分析表明，电荷由底物向吸附的O2反键轨道上转移是导致O2键强削弱的主要原因.势能曲线表明，O2在具有氧缺陷的MgO(001)表面上发生解离所需要克服的能垒比在角阳离子端发生解离所需克服的能垒有大幅度降低.     

苯氧羧酸类农药在高岭石表面吸附的理论研究

构建了高岭石铝氧八面体层表面模型Al₁₃O₄₈H₅₇和硅氧四面体层表面模型Si₁₃O₃₇H₂₂,采用B3LYP/6-31G(d,p)方法, 对其与2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)、 2,4-二氯苯氧丙酸(2,4-DP)、 2,4-二氯苯氧丁酸(2,4-DB)、 2-甲基-4-氯苯氧乙酸(MCPA)、 2-甲基-4-氯苯氧丙酸(MCPP)和2-甲基-4-氯苯氧丁酸(MCPB)等苯氧羧酸类农药分子间的相互作用及吸附性质进行了研究, 包括优化的几何构型、 结构参数、 吸附能及自然键轨道(NBO)电荷. 八面体层表面的中心原子(OH2, OH3及OH11)与四面体层表面的中心原子(O2, O3及O11)并未表现出明显的吸附活性. 相较于侧链为乙酸基的分子, 含有丙酸基或丁酸基的分子因带有更多的吸附位点而具有较强的吸附性. 研究发现MCPP的吸附性高于MCPA. 结合2,4-D的吸附性高于MCPA的结论, 可以推断2,4-D与MCPA更倾向于吸附在高岭石的硅氧层表面. 因此在农药施用的过程中, 应充分考虑各分子的活性及其与高岭石表面的作用强弱, 确保淋洗对去除农药在土壤中残留的可行性.     

氧化铈对氧化锰表面氧脱附与恢复性能的影响

采用TPD-MS技术研究了Mn-Ce-O体系催化剂的表面氧脱附(供出)和恢复性能,并以甲醇氧化反应为探针考察了催化剂在不同气氛下的氧化活性。结果表明,氧化铈的存在并不影响氧化锰O₂-TPD特征峰的位置,但氧化锰表面的吸附氧数量明显增加,氧化锰表面吸附氧的恢复能力随氧化铈含量的增加而增大。催化剂对甲醇的氧化活性与其表面吸附氧数量有很好的对应关系。催化剂表面氧恢复能力越大,对甲醇的氧化活性受气相氧影响越小。     

CeO_2用于柴油机尾气NO还原的DFT研究

采用密度泛函理论广义梯度近似的RPBE方法结合周期性平板模型研究了NO分子分别以N端和O端两种吸附形式在洁净的以及具有氧空穴的CeO_2(110)表面的吸附行为。对比了不同的吸附位及不同覆盖度下的几何构型参数与吸附能。研究结果表明:CeO_2(110)表面O原子上的吸附构型为较稳定的吸附构型,且N端吸附较O端有利;NO在洁净CeO_2(110)表面为物理吸附;当CeO_2(110)表面存在氧空穴时,吸附能明显增大且均大于40 k J·mol~(-1),为化学吸附;覆盖度为0.25 m L时的吸附比较稳定。计算了NO分子吸附前后的态密度以及电荷密度,研究发现:NO分子与底物之间具有相互作用,且整个吸附体系发生了电荷从Ce原子向NO分子的转移,O端吸附时转移的电荷较N端的多。