水分子在平坦和台阶状Co(0001)表面吸附和解离的理论研究

摘要

钴基催化剂由于具有良好的稳定性和高重质选择性等优点，常常被用在费托合成能源工业生产中。水，作为费托合成的副产物，与催化剂表面相互作用的研究一直倍受关注。现有的实验研究表明:(1)费托合成的副产物水对钴催化剂的影响仍存在分歧;(2)氧原子的存在对水分子与金属钴表面之间相互作用有重要影响，预测二者间发生2H2O+O→3OH+H反应。而至今关于水分子与Co(0001)表面相互作用的理论研究很少。因此，本论文基于第一性原理的密度泛函理论计算方法，详细研究了(1)水分子及水Dimer(H2O-H2O)在平坦Co(0001)表面的吸附和解离，并对比分析了氧原子对这些性能的影响;(2)结合实际催化剂表面存在大量缺陷，又进一步对台阶状Co(0001)表面上水分子及水Dimer(H2O-H2O)的吸附和解离进行研究，对比分析了钴表面缺陷位对水分子与金属钴表面之间相互作用的影响。主要研究结果如下:
　　(1)在平坦Co(0001)表面上，单个水分子吸附在顶位最稳定，其吸附强度较弱且易发生脱吸附;而对于水Dimer的吸附，额外的水分子不仅增强了水分子与金属钴之间的相互作用，而且还促进水分子解离。金属钴表面的氧原子促进了单个水分子解离成羟基，但抑制了羟基的解离;在氧原子的协助下，水Dimer更加容易解离生成2OH+H2O的产物，而羟基的存在进一步抑制了第二个水分子的解离，其解离为产物3OH+H势垒为0.97 eV，这远远低于Pt(111)上2H2O+O→3OH+H反应势垒(1.7 eV)，即在金属钴表面，该反应相对容易发生，这与实验结果吻合。
　　(2)在台阶状Co(0001)表面上，单个水分子更倾向于吸附在step-top位，而对于水Dimer吸附，额外的水分子增强了水分子与金属钴之间的相互作用;并且由于金属表面缺陷位的存在，水分子的吸附明显比平坦钴表面增强。台阶状金属钴表面上的氧原子进一步降低了水分子的解离势垒，从而使水分子更易解离用。在氧原子的协助下，水Dimer极易解离生成2OH+H2O的产物（能垒为0.09 eV），进而产物中羟基的存在使第二个水分子解离为产物3OH+H的势垒升高到～1 eV，该结果远远低于Pt(111)(1.7 eV)。因此，理论上预测:水Dimer在氧原子的促进下的解离反应:2H2O+O→3OH+H在金属钴表面能够发生，这与实验结果吻合。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 水分子与金属表面相互作用的研究现状

1．3 论文的研究内容介绍

第二章 理论基础

2．1 三个基本假设

2．2 密度泛函理论

2．3 第一性原理计算方法

2．4 本章小结

第三章 水分子在平坦Co(0001)表面的吸附与解离

3．1 引言

3．2 计算方法和模型

3．3 计算结果与讨论

3．3．1 水分子、水Dimer、羟基、氧原子和氢原子的吸附

3．3．2 单个水分子和水Dimer的解离和脱氢反应

3．4 本章小结

第四章 水分子在台阶状Co(0001)表面的吸附与解离

4．1 引言

4．2 计算方法和模型

4．3 计算结果与讨论

4．3．1 水分子、羟基及氧原子和氢原子的吸附

4．3．2 单个水分子和水Dimer的解离和脱氢反应

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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