CO在部分过渡金属氧化物表面吸附的密度泛函理论研究

【摘要】：CO作为一种重要的化工原料,CO氧化反应在燃料电池、激光器中气体纯化、气体传感器、汽车尾气的控制等方面具有重要的实用价值。由于常用作催化剂的贵金属储量有限、价格较高,因此有必要开发新型CO氧化催化剂。而过渡金属氧化物具有氧化还原和酸碱两方面的催化性能,且兼具耐热,抗毒性强,热敏、光敏、杂质敏感等性能,同时成本低廉,是理想的CO催化剂选择。由于CO在金属氧化物表面的氧化机理复杂,而理解分子在催化剂表面的吸附结构是确定相关催化反应机理的关键,因此对CO分子在过渡金属氧化物催化剂表面的吸附进行研究有着重要的意义。本文借助Materials Studio软件包中的CASTEP模块,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对CO在金红石型MnO_2和金红石型TiO_2两种过渡金属氧化物体系不同表面的吸附进行计算研究,由于过渡金属氧化物中过渡金属3d轨道与氧2p轨道间的强烈杂化,所以引入在位库仑相互作用校正的密度泛函理论(DFT+U)对体系进行计算。首先对金红石型MnO_2的体相进行了计算,选取了(110)、(100)、(211)三个表面弛豫后,计算了CO分子在这三个表面共六个吸附位点的吸附结构、吸附能、能带结构和态密度、密立根布居分析等参数。结果表面:CO在(110)、(100)表面五配位的锰上均发生化学吸附,而在(211)面所选取的两个两个吸附位点均可以发生化学吸附,但CO更倾向于吸附在表面一配位的氧上,由于C 2p轨道的杂化,发生吸附的表面态密度会出现新的杂质能级,体系带隙值变大,能带整体向低能级方向移动,此时电子由表面流向CO分子。对于金红石型TiO_2体系选取的研究表面为(110)、(100)、(210)面,其(210)面为高指数表面。在这三个表面所选取的六个吸附位点上CO分子均可发生化学吸附,结合吸附前后CO分子与吸附位点的距离以及CO分子键长来看,CO在(110)面更倾向于吸附在表面五配位的钛上,而在(100)、和(210)表面则更倾向于吸附在表面三配位的钛上,此时,CO分子带负电荷,且吸附结构越稳定,CO分子所带电荷数越高。本论文的结果对CO氧化催化剂的设计有一定的指导作用,对于更好地使用DFT+U方法设计和改良过渡金属氧化物催化剂提供了思路和发展方向。