甲酸在Au(997)台阶表面的氧化反应（英文）

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)).     

氧原子在钨低指数表面及(211)高指数表面上的吸附和振动

 应用原子和表面簇合物相互作用的5参数Morse势方法研究了氧原子在W低指数表面及(211)高指数表面上的吸附和振动. 计算结果表明,低覆盖度下,在W(100)面氧原子吸附在四重洞位,随着覆盖度增加,(100)面发生缺行重构,膺式三重位为稳定吸附位; 在W(110),(111)及(211)面,氧原子均趋向于吸附在膺式三重位. 该计算结果和实验符合得很好.     

周期性密度泛函理论研究NO在Cu2O(111)表面上的吸附

运用广义梯度密度泛函理论(GGA)的PBE方法结合周期平板模型，在DND基组下，研究了NO以N端和O端两种吸附取向在Cu₂O(111)非极性表面上的吸附。通过对不同吸附位置的吸附能和几何构型参数的计算和比较发现：表面上配位不饱和的铜离子(CuCUS)为活性吸附位；NO的N端吸附比O端吸附更为有利，N端吸附时吸附能可达到113.5 kJ·mol^-1，而O端情况下只有39.7 kJ·mol^-1；NO倾斜吸附在Cu₂O(111)表面上，O端吸附时倾斜度更大。在两种吸附取向情况下，N-O键的伸缩振动频率都发生了较大的红移，N端吸附情况下红移150 cm^-1，O端时红移330 cm^-1。前线轨道分析表明，Cu与NO间的吸附作用主要是Cu的d轨道和NO的π^*轨道间的相互作用。表面弛豫的计算表明，Cu₂O(111)面的弛豫对O端吸附方式产生较大影响，考虑表面弛豫时O端吸附为很弱的化学吸附(吸附能为39.7 kJ·mol^-1)，而没有考虑弛豫时吸附能为60.5 kJ·mol^-1。     

周期性密度泛函理论研究氯气在CuCl(111)表面上的吸附与解离

运用广义梯度密度泛函理论(Generalized Gradient Approximation，GGA)的PBE(Perdew-Burke-Ernzerh)方法结合周期性平板模型，研究了氯气分子和氯原子在CuCl(111)表面上的吸附。通过对不同吸附位和不同单层覆盖度下的吸附能和几何构型参数的计算和比较发现：氯气分子在CuCl(111)表面的吸附为解离吸附；单层覆盖度为0.50时的吸附构型为稳定的吸附构型；氯气分子平行吸附在CuCl(111)表面时最稳定，吸附能最大，达364.5 kJ·mol^-1；伸缩振动频率的计算结果表明，吸附后的氯气分子的伸缩振动频率与自由氯气分子的伸缩振动频率相比，都发生了红移；布居分析结果表明整个吸附体系发生了由Cu原子向氯气分子的电荷转移。氯原子吸附的计算结果显示氯原子以穴位稳定的吸附在CuCl(111)表面。     

甲醛在CeO2(111)表面吸附的密度泛函理论研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论和周期平板模型, 研究了甲醛在以桥氧为端面的CeO2(111)稳定表面上的吸附行为. 通过对不同覆盖度, 不同吸附位的甲醛吸附构型、吸附能及电子态密度的分析发现, 甲醛在CeO2(111)表面存在化学吸附与物理吸附两种情况. 化学吸附结构中甲醛的碳、氧原子分别与表面的氧、铈原子发生相互作用, 形成CH2O2物种; 吸附能随着覆盖度的增加而减小. 与自由甲醛分子相比, 物理吸附的甲醛构型变化不大, 其吸附能较小. 利用CNEB(climbing nudged elastic band)方法计算了甲醛在CeO2(111)表面的初步解离反应活化能(约1.71 eV), 远高于甲醛脱附能垒, 这与甲醛在清洁CeO2(111)表面程序升温脱附实验中产物主要为甲醛的结果相一致.     

甲酸在Au（997）台阶表面的氧化反应

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 eV.利用多层NO2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)= H2O + HCOO(a)),甲酸根在340 K发生歧化反应生成气相HCOOH和CO2分子(2HCOO(a)= CO2+ 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)= H2O + CO2)和歧化反应(2HCOO(a)= CO2+ HCOOH)生成气相CO2, H2O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)= H2O + HCOO(a))和216 K的羟基并和反应(OH(a)+ OH(a)= H2O + O(a)).     

氧在CuCl(111)表面吸附的密度泛函理论研究

运用广义梯度密度泛函理论的PW91方法结合周期平板模型,在DNP基组下研究了氧分子和氧原子在CuCl(111)表面上的吸附.对氧分子在CuCl(111)表面吸附的相关计算和比较发现,覆盖度为0.25单层时的吸附构型为稳定的吸附构型,氧分子倾斜地吸附在CuCl(111)表面的顶位时比较稳定,吸附后O2分子的伸缩振动频率与自由O2分子相比发生了红移.态密度和Mulliken电荷布居分析结果表明,整个吸附体系发生了由Cu原子向O2分子的电荷转移.氧原子在CuCl(111)表面吸附的计算结果表明,氧原子倾向于以穴位(hollow)吸附在CuCl(111)表面,通过Mulliken电荷布居和态密度分析对氧原子在CuCl表面的吸附行为作了进一步探讨.     

Nb(110)表面氧原子覆盖度对氧分子解离的影响

用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Nb(110)表面氧原子覆盖度分别为0.25、0.50、0.75 和1.00单层时对氧分子解离的影响. 结果表明, 在氧原子覆盖度不大于0.50单层时, 由于氧分子和表面铌原子的较强相互作用, 使它们能够自发解离. 然而在氧原子覆盖度为0.75单层时, 氧分子只能够在未占据的洞位附近解离, 同时发生严重的晶格畸变. 在形成一个氧原子单层后(1.00 单层), 氧分子只能弱吸附在Nb(100)表面上,此时氧原子向内扩散成为氧分子继续解离的速率决定步骤. 这些结果从理论上解释了在形成一个氧原子单层后, Nb(110)表面氧分子吸收速率迅速下降的原因.     

密度泛函理论研究NO在CuCr2O4(100)表面的吸附

运用密度泛函理论研究了NO在CuCr₂O₄(100)表面4个可能吸附位的顶位吸附。结果表明:表面铜(Cu)和铬(Cr)为活性吸附位，吸附能分别为98.1 kJ·mol^-1和92.9 kJ·mol^-1。对活性吸附位Cu位和Cr位考虑了NO以N端和O端2种吸附取向的吸附，发现N端吸附比O端吸附更为有利，O端吸附为简单的物理吸附。在2种吸附取向情况下，N-O键的伸缩振动频率都发生了红移。Mulliken布居分析表明，N端吸附时NO分子失去电子;对NO吸附前后的态密度分析可知，对Cu位和Cr位N端吸附NO的2π轨道得到电子。本文并进一步讨论了NO分子在CuCr₂O₄ (100)表面Cu位和Cr位的成键机理。     

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.     

Theoretical study of CO and H2O interaction on (110) and (101) Zirconia surfaces

Theoretical calculations of CO and H₂O adsorption on (110) and (101) tetragonal Zirconia surfaces were carried out using ONIOM2 methodology. The calculations showed that the adsorption processes are exothermic reactions with energy values of −28.4 kcal/mol for H₂O on the (110) surface, −51.0 kcal/mol for H₂O on the (101) surface, −21.7 kcal/mol for CO on (110) surface and −23.4 kcal/mol for CO on (101) surface. Analysis of the results suggest that different kinds of basic sites can be found on the (110) and (101) surfaces. In both (110) and (101) surfaces, CO adsorption is on bridged (bonded to two Zr atoms on the (110) surface, bonded to one Zr and O atoms on the (101) surface). The calculations showed that ONIOM can be a powerful tool to study structural and thermodynamics properties of solid surfaces.     

Oxygen Atom Adsorption and Diffusion on Pd Low-index Surfaces and （311） Stepped Surface

Introduction Atom adsorption on transition metal surfaces has attracted special attention as a base for understanding the fundamental processes of oxidative catalysis. Particularly interesting is the adsorption and diffusion of oxygen on well-defined metal surfaces. An oxygen covered palladium surface, for example, plays a central role in several important reactions such as oxidation of carbon monoxide and ammonia. In particular, the (100), (111), (110) surfaces and the interactions with oxyge…     

NO2在Ag/Pt(110)双金属表面上的吸附和分解

利用俄歇电子能谱(AES)和程序升温脱附谱(TDS)研究了NO₂在Ag/Pt(110)双金属表面的吸附和分解.室温下NO₂ 在Ag/Pt(110)双金属表面发生解离吸附, 生成NO(ads)和O(ads)表面吸附物种. 在升温过程中NO(ads)物种发生脱附或者进一步分解. 500 K时NO₂在Ag/Pt(110)双金属表面发生解离吸附生成O(ads)表面吸附物种. Pt 向Ag传递电子, 从而削弱Pt－O键的强度, 降低O(ads)从Pt 表面的并合脱附温度. 发现能够形成具有稳定组成的Ag/Pt(110)合金结构, 其表现出与Pt(110)-(1×2)相似的解离吸附NO₂能力, 但与O(ads)的结合明显弱于Pt(110)-(1×2). 该AgPt(110)合金结构是可能的低温催化直接分解氮氧化物活性结构.     

Pt原子在γ-Al2O3(001)表面的吸附及迁移

采用密度泛函理论(DFT)中广义梯度近似(GGA)方法, 对Pt原子与γ-Al₂O₃(001)面的相互作用及迁移性能进行了研究. 分析了各种可能吸附位及吸附构型的松弛和变形现象, 吸附能和迁移能垒的计算结果表明: Pt团簇能够稳定吸附在该表面. Pt原子在表面O位的吸附能明显较高, 这主要是由Pt向基底O原子转移了电子所致. 电荷布居分析表明, Pt原子显电正性, Pt和Al原子之间存在排斥作用, 导致与Al原子产生较弱相互作用. 计算的平均吸附能大小依赖于Pt团簇的大小和形状, 总体趋势是随着Pt原子数增多, 吸附能降低. Pt原子在γ-Al₂O₃(001)表面迁移过程所需克服的迁移能垒最高值为0.51 eV. 随着吸附的Pt原子数增多,更倾向于形成Pt团簇. 因此, Pt原子在γ-Al₂O₃(001)表面的吸附演变不可能形成光滑、均匀平铺的吸附构型, 而在一定条件下容易出现团聚.     

Adsorption of carbon monoxide on Pd low‐index surfaces and (110) reconstructed surface

Adsorption and diffusion of carbon monoxide on Pd low‐index surfaces and missing‐row Pd (110) reconstructed surface have been investigated by the extended London–Eyring–Polyani–Sato (LEPS) method constructed by means of a five‐parameter Morse potential. All critical characteristics, such as adsorption site, adsorption geometry, binding energy, CO vibrational frequency have been obtained and compared with the experimental and theoretical data. On these surfaces, the stable adsorption sites of CO are changed with increasing CO coverage. On the missing‐row Pd (110) reconstructed surface, there are five stable adsorption sites: H₁, H₂ (H₁ and H₂ are threefold hollow sites on (111) subsurface), B (bridge site on the second layer), SB (short‐bridge site), and T (top site). Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

Ni/NiCo2O4电极的制备及其析氧反应性能

采用溶胶-凝胶法制备NiCo₂O₄尖晶石粉体, 然后以多孔Ni 为基体, 通过复合溶胶涂覆结合烧结制备Ni/NiCo₂O₄ 涂层电极. 运用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱(EDS)和X 射线衍射(XRD)表征粉体以及Ni/NiCo₂O₄涂层电极的组成和结构. 采用循环伏安(CV), 稳态极化(LSV), 电化学阻抗谱(EIS), 恒电位阶跃以及恒电位长时间电解研究涂层电极在5 mol·L^-1 KOH溶液中的电催化析氧反应(OER). 结果表明: Ni/NiCo₂O₄涂层电极与多孔Ni 电极对比, 具有低的析氧过电位、高的比表面积和高的稳定性能; 其中比表面积增大了28.69倍,表观活化能在不同过电位分别降低了166.78和162.15 kJ·mol^-1.     

H2分子在LaFeO3表面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,通过计算表面能确定LaFeO₃(010)表面为最稳定的吸附表面,研究了H₂分子在LaFeO₃(010)表面的吸附性质。LaFeO₃(010)表面存在LaO和FeO₂两种终止表面,但吸附主要发生在FeO₂终止表面,由于LaFeO₃(010)表面弛豫的影响,使得凹凸不平的表面层增加了表面原子与H原子的接触面积,表面晶胞的纵向体积增加约2.5%,有利于H原子向晶体内扩散。研究发现,H₂分子在LaFeO₃(010)表面主要存在3种化学吸附方式:第一种吸附发生在O-O桥位,2个H原子分别吸附在2个O原子上,形成2个-OH基,这是最佳吸附位置,此时H原子与表面O原子的作用主要是H1s与O2p轨道杂化作用的结果,H-O之间为典型的共价键。H₂分子的解离能垒为1.542 eV,说明表面需要一定的热条件,H₂分子才会发生解离吸附;第二种吸附发生在Fe-O桥位,1个H原子吸附在O原子上形成1个-OH基,另一个H原子吸附在Fe原子上形成金属键;第三种吸附发生在O顶位,2个H原子吸附在同一个O原子上,形成H₂O分子,此时H₂O分子与表面形成物理吸附,H₂O分子逃离表面后容易形成氧空位。此外,H₂分子在LaFeO₃(010)表面还可以发生物理吸附。     

一氧化氮在Cu_3Pt(111)表面的吸附行为

运用密度泛函理论中广义梯度近似(GGA)的PW91方法,结合周期性平板模型,探讨了NO分子在Cu3Pt(111)表面上不同吸附位的吸附行为.结果表明:NO分子以N端朝下方式吸附在top-Pt以及hcp1和fcc2位(分别为表面Cu2Pt和Cu3簇)的吸附模式最稳定,吸附能分别为101.8、124.5和118.1kJ·mol-1.对于hcp1和fcc2位的吸附,NO中的N原子分别与底物的Cu2Pt和Cu3簇成键.吸附前后的电荷布居、态密度和振动频率的分析结果表明,净电子从底物合金表面转移到NO,N—O键伸长,频率发生红移.合金Cu3Pt和纯贵金属Pt对NO的吸附性质相似.     

B12Sc4和B12Ti4团簇的储氢性质

提出了两个稳定的团簇B₁₂Sc₄和B₁₂Ti₄, 基于理论计算, 研究了它们的结构与储氢性质. 结果发现, 在这两个稳定的团簇中, 过渡金属原子不会聚合在一起而影响它们对氢气的吸附. B₁₂Sc₄最多可以吸附12个氢分子, 达到7.25% (质量分数)的储氢量. 它的平均每氢分子吸附能量为10.5 kJ·mol^-1. B₁₂Ti₄最多只能吸附8个氢分子, 储氢量为4.78%. 但平均每氢分子吸附能量可达50.2 kJ·mol^-1. 进一步计算表明, 即使在77 K,也需要很高的氢气压力才能使12个氢分子都吸附到B₁₂Sc₄上. 电子结构分析表明, B₁₂Ti₄-nH₂吸附结构中的Kubas作用要大于相应B₁₂Sc₄-nH₂结构中的Kubas作用.