交换关联泛函近似方法对Ru催化剂上甲烷和乙烷形成的影响

摘要

密度泛函理论作为多相催化研究中的一个强有力工具,常被用于获得催化过程中关键的热力学及动力学参数,如吸附能、反应焓、活化能垒和速率常数等,理解密度泛函交换关联近似方法对于揭示催化剂的催化性能及机理至关重要,本文报道了六种不同的交换关联泛函近似方法,包括PBE、RPBE、BEEF+vdW、optB86b+vdW、SCAN和SCAN+rVV10,对金属Ru(0001)和Ru(1011)表面上甲烷和乙烷形成过程中涉及到的中间体的吸附能、反应能和活化能垒的影响,当基元反应中反应物和产物与表面的配位数不同时,理论计算的反应能大小强烈依赖于交换关联密度泛函的选择.对于涉及多个基元步骤的总反应,反应能的计算偏差会逐渐累积,从而导致不同的交换关联泛函近似方法之间的巨大差异.由于不同泛函对反应涉及到的中间体吸附能之间存在差异,交换关联泛函近似方法的选择显著地影响Ru(0001)表面上甲烷、乙烯和乙烷的选择性.然而,不同泛函近似方法对于Ru(0001)和Ru(1011)表面上基元反应的能垒以及结构敏感性影响不大.本工作不仅揭示了交换关联密度泛函近似方法在理论计算研究催化领域的局限性,也强调了选择合适的交换关联泛函方法对于正确评估催化剂活性和选择性的重要性.