不同碳链长度的表面活性剂对CeO_(2)-ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-La_(2)O_(3)材料性能的影响

研究分析不同碳链长度的烷基酸表面活性剂(十酸、十二酸、十四酸、十六酸、十八酸)对CeO_(2)-ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-La_(2)O(3 CZ)材料性能的影响规律,揭示表面活性剂在构筑高性能CZ材料中的作用机制。N2-吸/脱附、OSC、H2-TPR和催化剂三效活性等测试结果表明,在纳米晶成核阶段加入不同碳链长度的表面活性剂均可在一定程度上增大纳米晶的初始晶粒尺寸,由此降低纳米晶的烧结驱动力。表面活性剂的引入促进材料产生更多氧空位从而提高了其氧化还原性能,其中,十二酸对材料热稳定性和氧化还原性能的促进效果最优,所制备CZ材料高温老化后的比表面积损失率低至46.3%,还原峰温最低为497℃,Ce的利用率最高为39%,因而其负载的单Pd三效催化剂表现出最佳的催化活性。

助剂Pr6O11掺杂对CeO_(2)-ZrO_(2)-Al_(2)O_(3)材料及其负载单Pd三效催化剂性能的影响研究

助剂表面改性是提高铈基材料热稳定性、还原性能及其负载单Pd三效催化剂低温活性的经典方法之一。揭示助剂表面改性的作用机制,对于研发高性能CeO_(2)-ZrO_(2)-Al_(2)O_(3)(CZA)材料,满足日趋严格的汽油车尾气污染物排放标准,解决尾气污染具有现实意义。基于引入助剂Pr_(6)O_(11)可以提升CZA的低温还原性能,进一步研究了不同Pr_(6)O_(11)含量(0、3%、5%、7%和9%,质量分数)对其氧化还原性能和热稳定性的影响。N_(2)吸/脱附、X射线衍射(XRD)、H_(2)-程序升温还原(H_(2)-TPR)和储氧量等表征结果表明,Pr_(6)O_(11)的表面改性可在一定程度上降低CeO_(2)-ZrO_(2)(CZ)纳米晶的烧结驱动力,抑制CZ晶粒烧结。同时,引入Pr_(6)O_(11)促进材料产生了更多氧空位,从而提高了其还原性能和储氧性能。其中,Pr_(6)O_(11)含量为5%时,改性CZA表现出最佳的热稳定性、还原性能和储氧性能,1000℃下老化4 h后比表面积和孔容最大(85 m^(2)/g和0.33 mL/g),CZ晶粒尺寸最小(6.9 nm),还原峰温低至532℃,400℃储氧量增至109μmol/g。因此,该改性CZA负载的单Pd三效催化剂表现出最优的催化活性,其CO、NO、C3H8和C3H6的t50(污染物转化率为50%时所需温度)较未改性催化剂分别降低了6℃、15℃、18℃和6℃。综上,在CZA材料中添加适量的Pr_(6)O_(11),可有效提高其负载单Pd三效催化剂的低温活性。该方法简单经济,具有较好的应用前景。

CeO2-WO3催化剂表面酸性和氧化还原性能在脱硝反应中的研究

本研究利用原位合成法成功制备CeO_(2)-WO_(3)催化剂并用于脱硝反应,焙烧温度为550℃的CW-550催化剂活性最佳,200℃时CW-550脱硝活性达到90%以上。CW-550催化剂具有优越的催化剂性能可归结为较大的比表面积、较多的Ce^(3+)物种、丰富的表面酸性和优越的氧化还原性能。Ce3+增多,有利于氧空位的形成,可促进氧化还原性能。WO3的引入,在550℃的焙烧条件下可显著提升催化剂的Brönsted酸量,有利于氨气的吸附与活化,提升其催化性能。CW催化剂上吸附的NH3物种能与气态的NO反应,而吸附态的NH3与吸附态的NOx不能进行高效反应,因此,CW催化剂的SCR反应主要遵循Eley-Rideal反应机理。

Pt原子在γ-Al_2O_3(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0.51eV.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.

CO_2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CO_2在α-U(001)表面上的吸附和解离,得到了CO_2的稳定吸附构型和吸附能,确定了CO_2的解离过渡态和解离能垒,探讨了CO_2与表面U原子的相互作用本质.结果表明CO_2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CO_2发生转移的程度.CO_2与表面U原子的相互作用主要来自于U原子电子向CO_2最低空轨道(LUMO)2π_u转移,以及CO_2π_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CO_2(H1-C_3O_6和H2-C_3O_6)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CO_2分于易于解离形成CO分子和O原子.

O_2在MgO(001)完整和缺陷表面上的吸附(英文)

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MgO(001)完整和缺陷表面上的吸附.用电荷自洽的方法确定了点电荷的值.计算结果表明,O2倾向吸附在低配位的角Mg2+端.并且发现,当O2为平躺吸附时,键长有较大的拉伸,将有利于O2的解离.同时,分别计算了使用裸簇和嵌入表观±2.0e点电荷簇模型时的吸附能,并与采用电荷自洽方法的计算值进行了比较.结果表明,电荷自洽方法更能有效反映簇周围的环境,得到的计算结果能够较好地与实验值吻合.最后,分别计算了不同吸附情况下O2的振动频率.

GaAs(001)-(2×6)重构下的表面形貌及其重构原胞

采用RHEED与STM技术对GaAs(001)-(2×6)表面重构下的表面形貌进行研究,研究发现GaAs(001)-(2×6)重构表面是GaAs(001)-β2(2×4)重构表面经530℃,1.33μPa As BEP退火获得,在(2×6)重构下的GaAs(001)表面形貌已经进入表面存在系列单层岛和坑覆盖的无序平坦状态。为了进一步确定(2×6)重构的原胞结构,采用球棍模型对其原胞结构进行模拟,提出新的As表面覆盖率计算方法、结合STM图片分析对球棍模型进行验证和筛选,首次在实验上证实(2×6)重构原胞中存在2个As Dimers和2个Ga Dimers,并以此重构原胞结构构建理论下的(2×6)重构表面,获得结果与STM图片高度吻合。

O_2在具有氧和镁缺陷MgO(001)表面的吸附(英文)

在密度泛函理论的框架下,采用嵌入点电荷簇模型研究了O_2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,O_2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O_2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O_2的吸附和解离.Mulliken电荷分析表明,电荷由底物向吸附的O_2反键轨道上转移是导致O_2键强削弱的主要原因.势能曲线表明,O_2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.

表面合金Cu(001)c(2×2)-Pd原子结构的第一原理计算研究

在层晶模型近似下,采用薄膜全电子线性缀加平面波(LAPW)方法研究了表面合金Cu(001)c(2×2)-Pd的原子结构.能量计算表明Pd原子的皱折小于0.01 nm,该结果与低能电子衍射(LEED)和扫描隧道显微镜(STM)实验结果一致.

N_2在Co掺杂Ru(001)表面吸附的DFT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N_2在Ru(001)表面top、fcc、hcp、bridge四个吸附位和Ru-Co(001)表面Ru-top、Co-top、Ru(Ru)Ru-bridge、Co(Co)Co-bridge、Ru(Co)Co-bridge、Ru(Ru)Co-bridge、Ru_2Co-hcp、RuCo_2-hcp、Ru_2Co-fcc、RuCo_2-fcc十个吸附位的14种吸附模型进行了构型优化、能量计算,得到了N_2较有利的吸附位;并对清洁表面进行能带分析,对最佳吸附位进行总态密度分析.结果表明:掺杂Co后,Ru催化剂的能带变宽,催化活性增强;N_2在Ru(001)表面的最稳定吸附位top的吸附能是-88.94 kJ·mol^(-1),在Ru-Co(001)表面的最稳定吸附位Ru-top的吸附能是-95.71 kJ·mol^(-1),而且N_2与金属表面成键,属于化学吸附.

在两步CeO_(2)修饰的多孔YSZ-Al_(2)O_(3)管上制备高渗透性和热稳定性Pd膜

采用化学镀技术在经过不同修饰方式后的多孔YSZ-Al_(2)O_(3)管上沉积Pd膜。采用SEM、AFM、XRD和气体渗透测试方法研究不同修饰方式对多孔YSZ-Al_(2)O_(3)管表面质量及Pd复合膜渗透性能的影响。结果表明,经两步CeO_(2)修饰后,多孔YSZ-Al_(2)O_(3)管表面具有更小的孔径分布和粗糙度。经两步CeO_(2)修饰后的多孔管上沉积的Pd膜在500℃、700 kPa压差下具有更高的氢渗透流量(0.549 mol·m^(-2)·s^(-1))和H_(2)/N2选择性(14241)。不同热循环测试和1000h持久渗透测试结果表明,在经两步CeO_(2)修饰后的多孔管上沉积的Pd膜具有较高的渗透稳定性。

Cu/CeO_(2)上可见光辅助热催化合成NH_(3):H_(2)O存在下NO通过CO还原的途径

NH_(3)不仅是关键的工业化学原料,而且是未来可再生能源的无碳燃料和可运输的载体.目前,工业合成NH_(3)仍然以传统的Haber-Bosch反应为主,需要300-500°C的高温和20-30 MPa的压力.为克服这些缺点,研究者设计了NO-CO-H_(2)O反应体系.在该反应中,通过有毒气体CO在H_(2)O存在的条件下将NO还原成NH_(3),这是一种近乎理想的生产NH_(3)的方法.目前,已经报道了Pt/Al2O_(3)在NO-CO-H_(2)O反应中具有较高的NH_(3)选择性,但反应温度(400°C)仍然较高,不利于实际应用.因此,在低温条件下引入光照,通过光辅助热催化NO-CO-H_(2)O反应来获得NH_(3)产品,是一种极具发展潜力的方法.研究人员通过密度泛函理论(DFT)研究发现,Cu在NO还原反应中具有很高的活性和NH_(3)选择性,且Cu在水煤气(CO+H_(2)O)变换反应中具有较高的活性.CeO_(2)具有丰富氧空位同时能充当碳酸盐的储存位点,还可以起到稳定分散铜的作用.因此,本文将具有局域表面等离子体共振(LSPR)效应的金属Cu负载在具有氧空位的棒状CeO_(2)上形成Cu/CeO_(2)纳米复合材料,并研究了其催化NO-CO-H_(2)O反应性能.结果表明,Cu/CeO_(2)不仅在100-270°C下表现出较好的CO和NO去除效率,且可以选择性地催化还原NO为NH_(3).其中,5%Cu/CeO_(2)表现出最优催化活性,210°C时NO转化率为94.4%和NH_(3)选择性为66.5%.在相同温度下,可见光可以进一步提高NO转化率(97.7%)和NH_(3)选择性(69.1%).通过对NO-CO-H_(2)O反应进行分步活性测试,发现该反应的主要过程由水煤气变化反应生成活性H^(*)及其进一步与NO发生选择性催化还原反应两部分组成.准原位电子顺磁共振、原位漫反射傅立叶变换红外光谱和密度泛函理论计算表明,在Cu/CeO_(2)上NO-CO-H_(2)O的反应机理是CO首先与H_(2)O反应形成HCO_(3)^(*)中间物,然后分解成CO_(2)和活性H^(*),最后NO与活性H^(*)反应产生NH_(3).而可见光诱导Cu的LSPR效应能有效地将催化剂的光吸收范围拓宽至可见光,同时其产生的热电子能有效提高催化剂表面电子密度,从而促进了HCO_(3)^(*)分解为CO_(2)和活性H^(*);另外,在CeO_(2)上再生了氧空位(H_(2)O的活化点),进而增加了NH_(3)产量.综上,本文提供了一种在温和条件下合成NH_(3)的可行性方法,能为合成NH_(3)工艺提供一种新途径.

MgO(001)表面负载CrW_2O_9团簇构型和电子结构的理论研究

采用基于第一性原理的分子动力学与量子力学相结合的方法,对CrW_2O_9团簇在MgO(001)完整表面的吸附构型、稳定性以及电子结构进行了系统的研究.研究结果表明,CrW_2O_9团簇通过Cr、W以及O原子与MgO(001)表面作用,并可能以六元环、帽状或双环结构沉积在MgO(001)表面,其中热力学最稳定的吸附构型为CrW_2O_9团簇以六元环的结构吸附在MgO(001)完整表面.吸附后,有较多的电子从表面转移到团簇,与W3O9/MgO(001)体系相比,CrW_2O_9团簇的电子态出现在MgO(001)表面的带隙中,且主要为Cr 3d轨道的贡献,这将对体系的催化性能产生显著影响.

棕榈酸在Ni_2P(001)表面上吸附的理论研究

本文采用广义梯度近似GGA中PBE交换相关泛函和DNP基组,研究了棕榈酸分子在Ni_2P(001)表面上的吸附作用。计算结果表明,有三种类型的化学吸附,第一种为棕榈酸中的羧基与Ni中心及其对位中心发生相互作用;第二种为棕榈酸中的羧基与Ni中心及其邻位中心发生相互作用;第三种为棕榈酸中的-C=O基仅与Ni中心发生相互作用。其中,第一种为最稳定的吸附形态,其棕榈酸转移了0.094 e电子到Ni_2P(001)表面上。这一结果为研究棕榈酸在Ni_2P(001)表面上的催化脱氧机理提供了一定的基础。

CH_3OH在Ga-rich GaAs(001)-(4×2)表面上的吸附与解离:团簇模型的密度泛函计算

采用简单团簇模型结合密度泛函理论研究了CH3OH在Ga-rich Ga As(001)-(4×2)表面上的吸附与解离过程.计算结果表明,CH3OH在Ga-rich Ga As(001)-(4×2)表面上首先会形成两种化学吸附状态,然后CH3OH经解离生成CH3O自由基和H原子吸附在表面不同位置上.通过比较各个吸附解离路径,发现解离后的H原子相对更容易吸附在位于表面第二层紧邻的As原子上.

应变对Mo_(2)C(001)表面电子结构及光学性质的影响

采用第一性原理方法研究应变对Mo_(2)C(001)表面电子结构及光学性质的影响。研究表明,在应变作用下Mo_(2)C(001)表面均为间接带隙半导体,带隙随着压应变和拉应变的增加而减小。当应变为-20%时,Mo_(2)C(001)表面由间接带隙半导体转变为金属性质。当应变为-20%、-15%、-10%、-5%、0%、5%、10%、15%、20%时,其带隙分别为0 eV、0.162 eV、0.376 eV、0.574 eV、0.696 eV、0.708 eV、0.604 eV、0.437 eV、0.309 eV。带隙变化的原因主要是Mo 4p、4d、5s态电子和C 3p态电子对应变敏感,在应变作用下受激发,活性增强导致价带顶在布里渊区G、A、L、M点之间变化,导带底在K、H点之间变化;当应变由-15%逐渐变化到20%时,吸收谱的第一峰逐渐减弱,并且第一峰对应的光电子能量减小,吸收带边向低能方向移动,表明光吸收随着压应变增大而增加,吸收带边随着拉应变增加向低能方向移动。其他光学性质表现出类似的变化规律,光学性质计算结果表明应变能够有效调节光吸收特性,增强光学利用率,研究结果为Mo_(2)C(001)作为新型光电子材料的应用提供理论支撑。

Si(001)-(2×2×1):H表面弛豫研究

目的研究Si(001)-(2×2×1):H表面的几何结构和电子特性.方法在周期边界条件下,采用基于密度泛函理论的广义梯度近似平面波超软赝势法,对Si(001)-(2×2×1):H表面结构进行了弛豫计算并对该表面进行电子结构分析.结果结果表明弛豫作用使得部分电子从第一层硅原子转移到了第二层硅原子上,从而导致表层硅呈现正电性.结论这样的电子结构特性将有助于负电性强的氧气分子在硅氢表面的吸附.弛豫后的Si(001)-(2×2×1):H表面的能带结构具有半导体材料的特征.

六方Fe_(2)Ge合金块体及其(001)表面电子结构和磁性的第一性原理

采用基于密度泛函理论第一性原理的赝势平面波方法,计算了块体Fe_(2)Ge及其(001)表面的电子结构和磁性。考虑了两种类型的终端(001)表面:Ge(Ⅰ)-(001)表面和Ge(Ⅱ)-(001)表面。电子结构方面,不同类型的Fe_(2)Ge(001)表面都表现出金属特性,这与块体的金属性保持一致。通过计算它们的自旋极化率,得出Ge(Ⅰ)-(001)表面的自旋极化程度最高。磁性方面,在块体和Ge(Ⅱ)-(001)表面的Ge原子是铁磁自旋有序的,而在Ge(Ⅰ)-(001)表面第一层的Ge原子是亚铁磁自旋有序的。此外,Ge(Ⅱ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩优于块体中和Ge(Ⅰ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩。这些结果与Fe的d态和Ge的p态电子的杂化有关,本文中通过分析它们的态密度进行了讨论。

伊红Y敏化Pt负载(001)晶面占优TiO_2纳米片可见光催化制氢的研究

以钛酸四丁酯和HF为原料,通过水热法合成了含(001)高能面的TiO_2纳米片。光还原沉积法进行载铂,浸渍法使伊红Y(Eosin Y)负载在Pt-TiO_2表面,制得系列染料敏化的Eosin Y-Pt-TiO_2可见光光催化剂。所制备的催化剂通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、紫外-可见漫反射(UV-Vis DRS)、比表面(BET)、荧光光谱(PL)和傅立叶红外光谱(FT-IR)等手段进行表征。实验表明,当Eosin Y浓度一定时,HF用量和载Pt量对催化剂的制氢活性有显著影响。当HF用量为3 mL时,Eosin Y敏化Pt负载(001)晶面占优TiO_2纳米片的可见光制氢活性是纯TiO_2纳米颗粒的2.1倍,这可能与TiO_2(001)面含量高和表面氟化有关;同时,当载Pt量仅为0.02%(质量分数)时,该催化剂也显示了相当高的可见光制氢活性。

O_2在α-U(001)面吸附的密度泛函理论研究

采用广义梯度密度泛函理论结合周期性平板模型,计算了O2在α-U(001)表面吸附的几何和电子结构,并对H2、O2的吸附特性进行了对比分析。结果表明:O2分子在α-U(001)面上呈强解离化学吸附,吸附能为9.54～10.22eV,O-O距离较大的D+D-II构型最为稳定;吸附后表层U原子向上迁移,同时伴随着褶皱的产生;解离O原子与表面U原子的相互作用主要是离子键合,伴随着较弱的源于U5f/6d-O2p轨道杂化的共价键合;O原子的扩散能垒小于0.3eV,易于在U表面扩散迁移;O2分子在U表面的吸附强度较H2分子要大得多,对U表面结构的影响也更加显著。