金团簇与CO、O2和H2O相互作用的第一性原理研究

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Au团簇具有良好的低温催化活性(相对于惰性体相金而言)以及其它独特的性质,因此成为实验和理论研究的重要对象。Au团簇上小分子的吸附性质是Au团簇研究的一个重要内容,也是研究Au团簇催化活性的第一步。本论文利用密度泛函理论(DFT)计算的方法对Au团簇与小分子CO、O2和H2O的相互作用进行了系统地研究,对于H2O促进CO氧化实验现象给予理论解释。本文开展了Au32上CO吸附理论的研究,第一性原理计算全部采用基于密度泛函理论的DMol3程序包来完成。并选取傅立叶变换为基础的相对半芯赝势(DSPP)来处理Au原子间的芯问题,电子的交换关联作用取广义梯度近似(GGA)处理,密度泛函选取PW91形式,价电子采用双数值加极化函数展开(DNP:一种数值原子函数中的极化分裂价层基组)。所有计算均采用一种Pulay的直接反演迭代子(DIIS)方法加速SCF收敛。通过对分析CO在各个吸附位的吸附能,能隙等数据可知:CO能够在Au32五配位的top位(5top)和六配位top(6top)位稳定吸附,并且在5top位上更有利于小分子CO的稳定吸附,CO不能在Au32的edge和center位稳定吸附。分态密度(PDOS)和Mulliken布局分析表明:Au32笼内掺杂K原子之后,改变了团簇的电子状态,不仅能够使CO在top位上的吸附稳定性更高,从而能使CO在Au32团簇edge位上吸附稳定存在,说明掺杂的K原子增加了Au32团簇的活性吸附位。本文还利用密度泛函理论(DFT)计算的方法,对O2,H2O单独吸附和共吸附在Au38团簇上的吸附性质进行了结构,能量和电荷分析。计算结果表明,O2倾向于吸附在edge位,在top,face位均不能稳定吸附。H2O与O2吸附性质不同,倾向于稳定吸附在top位上。Au(100)表面较之Au(111)表面更有利于小分子O2,H2O的吸附,这一结论与实验结果相符合。H2O和O2共吸附研究表明,H2O的存在活化了Au团簇表面,促进了O2的吸附稳定性。Mulliken和PDOS分析得出:在共吸附结构中,H2O将部分电子转移给了O2,促进了O2的活化与解离,并生成了类似H2O2的中间态,从而为催化氧化反应提供了O活性物种。
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