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Ru、Cu和Au表面吸附和反应的理论研究

刘淑萍  
【摘要】:金属表面的吸附和反应无论在基础科学研究领域还是在工业技术应用方面都有非常重要的作用,也是近几年研究的热门课题之一。金属表面的性质在很大程度上与它的周围环境相关,缺陷、台阶、扭折、表面堆积的“岛屿”以及吸附物种均对其特性有极大的影响,甚至可能完全改变表面的性质。因此,从原子水平上研究金属表面的原子、分子成键和化学反应是非常重要的。 本论文应用5参数Morse势(5-MP)和密度泛函理论研究原子和小分子在金属表面的吸附和表面反应机理。主要包括以下几个方面: 第一章,对金属表面吸附和反应的研究现状和前景做一简要介绍。 第二章,简述本论文所采用的理论和计算方法及相关计算软件包。 第三章,采用5-MP方法研究N原子在Ru表面上的相互作用势,考察了此类体系的全部临界点特性和N原子在Ru的几个单晶表面上的扩散通道及扩散能垒。发现在(1121)的次表面有N原子吸附,并沿着H3-B35-H5扩散通道进入次表面的扩散能垒很低,因此N原子从表面扩散到次表面在(1121)面上是可以实现的。 第四章,利用密度泛函理论系统研究了CO分子在Cu(311)台阶表面的氧化机理。计算发现O2分子在Cu(311)表面极易发生反应,反应活性强烈依赖于O2分子的方向和吸附位。鉴于CO和O2分子反应需要较大的活化能以及O2分子本身极易解离这两方面的原因,CO+O2→CO2+O反应很难发生。因此我们认为CO在Cu(311)表面优先和解离后的表面吸附氧原子发生一个典型的Langmuir-Hinshelwood反应,即CO+O→CO2。 第五章,运用密度泛函方法研究了甲醇在预吸附氧的Au(111)表面的反应机理。计算结果显示,甲醇首先在O/Au(111)表面消除α-H形成甲氧基,接着甲氧基继续消除一个β-H形成甲醛,然后根据Au(111)表面氧原子的浓度条件反应沿着两条路径进行:其一反应的中间体甲醛在Au(111)表面吸附氧浓度较高的条件下,会持续氧化生成甲酸基;其二,在表面吸附氧浓度较低时,甲醛和甲氧基发生反应形成甲酸甲酯。


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