CO和CH3O在Cu2O(111)表面吸附特性及共吸附的理论研究

基于密度泛函理论, 采用广义梯度近似方法结合周期平板模型, 对Cu₂O(111)非极性表面上CO和CH₃O的吸附和共吸附进行了系统的研究. 计算了CO以4种吸附模式和CH₃O以O端在Cu₂O(111)表面上的吸附, 通过对不同吸附位置的吸附能、几何构型参数和Mulliken电荷的计算和比较发现, Cu₂O(111)表面上配位未饱和铜离子(Cu_CUS)为CO的活性吸附位; 配位饱和铜离子(Cu_CSA)为CH₃O的活性吸附位. CO和CH₃O吸附于Cu₂O(111)表面后, 表面弛豫现象明显改善. CO和CH₃O与Cu₂O(111)表面能够形成共吸附体系, CO和CH₃O之间的相互作用力达到75.89 kJ/mol, 为典型的化学作用, 有助于促进CO和CH₃O反应形成表面物种CH₃OCO, 计算结果与实验事实一致.     

CO在CeO2(111)表面的吸附与氧化

采用密度泛函理论计算了CO在CeO2(111)表面的吸附与氧化反应行为. 结果表明, O2在洁净的CeO2(111)表面为弱物理吸附, 而在氧空位表面是强化学吸附, 且O2分子活化程度较大, O—O键长为0.143 nm. CO在CeO2(111)表面吸附行为的研究表明, CO在洁净表面及氧空位表面上为物理吸附, 吸附能均小于0.42 eV; 当表面氧空位吸附O2后, CO可吸附生成二齿碳酸盐中间体或直接生成CO2, 与原位红外光谱结果相一致. 表面碳酸盐物种脱附生成CO2的能垒仅为0.28 eV. 计算结果表明, 当CeO2表面存在氧空位时, Hubbard参数U对CO吸附能有一定的影响. CeO2载体在氧化反应中可能的催化作用为, 在氧气氛下, CeO2表面氧空位吸附O2分子, 形成活性氧物种, 参与CO催化氧化反应.     

甲硫醇在Cu(111)表面的解离吸附: 密度泛函理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法和平板模型研究了CH₃SH分子在Cu(111)表面的吸附反应.系统地计算了S原子在不同位置以不同方式吸附的一系列构型, 第一次得到未解离的CH₃SH分子在Cu(111)表面顶位上的稳定吸附构型,该构型吸附属于弱的化学吸附, 吸附能为0.39 eV. 计算同时发现在热力学上解离结构比未解离结构更加稳定. 解离的CH₃S吸附在桥位和中空位之间, 吸附能为0.75-0.77 eV. 计算分析了未解离吸附到解离吸附的两条反应路径, 最小能量路径的能垒为0.57 eV. 计算结果还表明S―H键断裂后的H原子并不是以H₂分子的形式从表面解吸附而是以与表面成键的形式存在. 通过比较S原子在独立的CH₃SH分子和吸附状态下的局域态密度, 发现S―H键断裂后S原子和表面的键合强于未断裂时S原子和表面的键合.     

CO在Pt(111)和Pt-M(111)(M=Ni,Mg)表面吸附的理论研究

采用密度泛函理论与周期性平板模型相结合的方法,对CO在Pt(111)表面top,fcc,hcp和bridge 4个吸附位和Pt-M(111)(M=Ni,Mg)表面h-top,M-top,Pt(M)Pt-bridge,Pt(M)M-bridge,Pt(Pt)M-bridge,M(Pt)M-bridge,Pt1M2-hcp...     

CO2在α-U(001)表面的吸附和解离

采用广义梯度密度泛函理论研究了0.25ML覆盖度下CO₂在α-U（001）表面上的吸附和解离,得到了CO₂的稳定吸附构型和吸附能,确定了CO₂的解离过渡态和解离能垒,探讨了CO₂与表面U原子的相互作用本质.结果表明CO₂趋向以C（O）-U多键结合方式在α-U（001）面发生强化学吸附,吸附能为1.24-1.67 eV;C-O键的活化程度依赖于表面电子向CO₂发生转移的程度.CO₂与表面U原子的相互作用主要来自于U原子电子向CO₂最低空轨道（LUMO）2π_u转移,以及CO₂π_u/1π_g/3σ_u-U 6d轨道间杂化而生成新的化学键.以形成3个C-U键和6个O-U键模式在穴位1和穴位2上发生吸附的CO₂（H1-C₃O₆和H2-C₃O₆）的解离吸附能分别为3.15和3.13 eV,解离能垒分别为0.26和0.36 eV,预示着吸附CO₂分于易于解离形成CO分子和O原子.     

Cu单原子修饰对Fe(111)表面CO吸附性能及电子性质调变的第一性原理研究

采用密度泛函理论方法研究了Cu单原子修饰对Fe(111)表面CO吸附性能和电子性质的调变作用,其中,Cu单原子修饰研究了吸附和取代两种方式。结果表明,CO在Cu修饰的Fe(111)面吸附能力都会变弱,一是Cu原子自身提供的位点对CO的吸附较弱;二是Cu会使其附近的Fe对CO的吸附变弱。分析电子性质表明,Cu作用于Fe表面后,会导致Cu附近Fe原子部分电子向Cu原子转移,进而削弱了Fe与吸附分子间电子交互作用而改变Fe原子的吸附能力。故Cu原子改性Fe表面可以很好地调变CO的吸附、解离及后续反应催化活性,这为进一步探究Cu改性Fe表面的合成气催化反应机理提供了基础信息。     

乙烷在Ni(111)表面的吸附和分解

研究了乙烷在Ni(111)表面解离的可能反应机理, 使用完全线性同步和二次同步变换(complete LST/QST)方法确定解离反应的过渡态. 采用基于第一性原理的密度泛函理论与周期平板模型相结合的方法, 优化了C2H6裂解反应过程中各物种在Ni(111)表面的top, fcc, hcp和bridge位的吸附模型, 计算了能量, 并对布居电荷进行分析, 得到了各物种的有利吸附位. 结果表明, 乙烷在Ni(111)表面C—C解离的速控步骤活化能为257.9 kJ·mol-1, 而C—H解离速控步骤活化能为159.8 kJ·mol-1, 故C—H键解离过程占优势, 主要产物是C2H4和H2.     

NO双分子在Cu2O(111)面吸附与解离的理论研究

采用广义梯度密度泛函理论结合周期平板模型方法, 在DNP基组下, 研究了NO双分子在三重态和单重态两种电子组态下在Cu2O(111)完整表面的吸附情况. 考虑了Cu+(NO)(NO)、Cu+(NO)(ON)及Cu+(ON)(ON)这三种构型, 计算了它们的吸附能和Mulliken电荷, 分析并预测了吸附后可能产生的物种. 结果表明, 当两个NO分子都以O端吸附在Cu2O(111)表面时即Cu+(ON)(ON)构型, N—N键长很短, 只有124.4 pm, 吸附的两个NO分子形成了二聚体形式, 这种吸附构型有利于进一步离解产生N2或N2O并形成Cu-O表面物种.     

CO在δ-Pu(111)面吸附行为的周期性密度泛函理论研究

利用量子化学中的密度泛函理论结合周期模型方法研究了CO分子在δ-Pu(111)面的吸附行为.通过对不同吸附位置的吸附能和平衡几何结构比较发现,CO分子在δ-Pu(111)面的吸附C端吸附比O端吸附更有利,属于较强的化学作用,最稳定的吸附方式为心式垂直吸附,桥式次之,顶式最不稳定.心式垂直吸附的吸附能为-1.236 eV,C原子吸附位距离Pu表面0.212 2 nm,C-O键长0.120 8 nm.CO与Pu配位数目是决定化学吸附的主要因素,配位的Pu原子数目越多,化学成键越稳定.Mulliken电荷分析表明CO和Pu表面的作用主要发生在第一层,另外两层几乎没有影响.     

周期性密度泛函理论研究NO在CuCl(111)表面上的吸附

运用广义梯度密度泛函理论(GGA)的RPBE方法结合周期平板模型,在DNP基组下,研究了NO以N端和O端两种吸附取向在CuCl(111)表面上的吸附.通过对不同吸附位和不同覆盖度下的吸附能和几何构型参数的计算和比较发现:NO吸附在CuCl(111)表面Cu原子上的top位时为稳定的吸附;覆盖度为0.25 mL时吸附比较稳定;NO的N端吸附比O端吸附更有利,N端吸附时为化学吸附,O端吸附时为物理吸附.布居分析结果表明整个吸附体系发生了从Cu原子向NO分子的电荷转移,且O端吸附时电荷转移更多.N端吸附和O端吸附时,N-O键的伸缩振动频率均红移,同时O端吸附时红移更多.     

糠醛在Pt(111)表面的吸附和脱碳反应

采用广义梯度近似的密度泛函理论并结合平板模型的方法, 优化了糠醛分子在Pt(111)面的吸附模型,并探究了糠醛脱碳反应形成呋喃的机理. 结果表明: 吸附后糠醛分子环上的C―H(O)键及支链―CHO相对于金属表面倾斜上翘, 分子平面被扭曲, 易于呋喃的形成; 同时, 糠醛分子向Pt表面转移电子0.765e, 环中的大π键与Pt(111)表面的d轨道发生较强的相互作用, 使得糠醛的芳香性被破坏, 环上的碳原子呈现准sp³杂化. 此外, 对糠醛脱碳反应中的各反应步骤进行过渡态搜索, 通过比较各步骤的活化能, 得出糠醛更易先失去支链上的H形成酰基中间体(C₄H₃O)CO, 中间体继续脱碳加氢形成产物呋喃. 该过程的控速步骤为(C₄H₃O)CO^*+^*→C₄H₃O^*+CO^* (^*为吸附位),活化能为127.65 kJ·mol^-1.     

洁净和氧吸附的Cu(100)表面重构的理论研究

The interaction of atomic oxygen with the clean Cu(100) surface has been studied by means of cluster and periodic slab models density functional theory in the present paper. The Cu(4,9,4) cluster and a three-layer slab with c(2×2) structure are used to model the perfect Cu(100) surface. Three possible adsorption sites,top, bridge and hollow site, were considered in the calculations. The predicted results show that the hollow site is the prefer site for atomic oxygen adsorbed on Cu(100) surface energetically. This is in good agreement with the experiment. The calculated binding energies are respective 2.014, 3.154 and 3.942 eV for top, bridge and hollow sites at mPW1PW91/LanL2dz level for the cluster model. The geometry of Cu(100) surface has also been optimized theoretically with various density functional methods and the results show that the prediction from the B3PW91/LanL2dz and mPW1PW91/LanL2dz reproduce the experimental observation.The frontier molecular orbitals and partial density of states analysis show that the electron transfer from the d orbital of substrate to the p orbital of the surface oxygen atom.     

Ru修饰前后Pd(111)面的性质及对糠醛吸附的比较研究

采用密度泛函理论研究了Pd(111)面和Ru-Pd(111)面的性质及对糠醛的吸附.原子尺寸因素、相对键长、形成能及d带中心等计算结果表明,Ru-Pd(111)面比Pd(111)面稳定且活性强,Ru的修饰优化了Pd(111)面的几何构型.糠醛在Pd(111)面及Ru-Pd(111)面的初始吸附位分别为P(top-bridge)位及P(Pd-fcc-Ru-fcc)位时,吸附能最大,吸附构型最稳定.由电荷布局和差分电荷密度可得,糠醛在Ru-Pd(111)面上电荷转移数更多,相互作用更强烈,因此吸附能更大.分析态密度可知,产生吸附的主要原因是位于-7.34 eV处至费米能级处的p,d轨道杂化.吸附于Ru-Pd(111)面后糠醛分子的p轨道向低能级偏移程度更明显,使Ru改性后的Pd催化剂具有更好的催化活性.     

一氧化碳共吸附法确定叔丁胺分子在Cu(111)表面的吸附位

采用扫描隧道显微镜(STM)和密度泛函理论(DFT)研究了78 K时单个叔丁胺分子在Cu(111)表面的吸附位. 我们提出以共吸附的一氧化碳√3 ×√3 超结构为基底铜原子的标识方法, 确定了低覆盖度的叔丁胺分子在Cu(111)表面的吸附位为顶位. 而采用单个一氧化碳分子标识基底铜原子的位置, 同样得出了叔丁胺分子的吸附位为顶位. 此外, 还采用DFT计算叔丁胺分子在Cu(111)表面的优势吸附构型. 理论计算结果表明顶位吸附构型为能量最稳定的构型, 与实验结果相吻合.     

巴豆醛在Au(111)面上的吸附及选择性加氢机理研究

采用密度泛函理论计算了巴豆醛4种构型的稳定性,并选取最优构型进一步研究了其Au(111)面上的吸附及选择性加氢机理.计算结果表明,具有E-(s)-trans构型的巴豆醛稳定性最高.当巴豆醛通过C O吸附于Au(111)面的顶位时,该构型吸附能最大,吸附模型最稳定;巴豆醛向Au(111)表面转移电子0.045e,且其p轨道与金属表面的d轨道发生较强相互作用,使得巴豆醛的键级减弱.此外,通过分析各基元反应的活化能、反应热以及构型变化可知,巴豆醛在Au(111)面上按照2,1-加成机理(部分加氢机理)生成巴豆醇的可能性最大,且降低温度有利于反应转化率的提高.     

First-principles Periodic Density Functional Study of CO Adsorption on Spinel-type CuCr2O4 (100) Surface

The catalytic properties of CuCr2O4 with the cubic normal spinel-type structure were discussed by means of studying CO adsorption on the CuCr2O4 (100) surface in the framework of density functional theory. The results of geometry optimization show that CO prefers to adsorb at a Cu site with the adsorption energy of 133.2 kJ/mol. The adsorptions at all sites lead to a decrease in C-O stretching frequency, an increase in C-O bond length and a net positive Mulliken charge for the CO molecule. Population analysis indicates that the charges transfer from the CO molecule to substrate. The density of states for CO molecule before and after adsorption are also computed to discuss the bonding mechanism of CO.     

In-Au(111)和Ir-Au(111)合金表面的性质及其对巴豆醛的吸附比较

采用密度泛函理论研究了M（M=In,Ir）原子修饰的M-Au（111）合金表面的稳定性,并选其最优模型探讨了合金表面的活性及其对巴豆醛的吸附。合金的几何构型、形成能和结合能等性质表明,In-Au（111）面的稳定性随In原子的间距增大而提高,Ir-Au（111）面的稳定性随Ir原子的间距增大而降低。对于巴豆醛在MAu（111）面上的吸附,当其通过C＝O吸附于合金表面的Top_M位时,吸附能最大,吸附构型最稳定。从巴豆醛的结构变化、态密度、差分电荷密度以及Mulliken电荷布居等分析可以看出,稳定吸附构型的巴豆醛分子形变较大,电荷转移明显。其中,位于-7.04 eV至费米能级处的p、d轨道杂化,对体系的吸附具有重要贡献。分析比较In-Au（111）面与Ir-Au（111）面,发现后者的配体效应更佳,不仅具有更高的稳定性和活性,而且对于巴豆醛具有更强的吸附力。此外,相比于改性前的Au（111）面,M原子的修饰明显提升了金属表面的稳定性及吸附能力。