贵金属及还原性氧化物在三元催化剂中的催化机理研究

摘要

本文用基于密度泛函理论(DFT)的全电子平面波方法,从电子层面上系统地研究了参杂对三元催化剂中二氧化铈基氧化物性能的改善,以及贵金属团簇和还原性氧化物在去除有害气体时的催化机理和协同机制。模拟计算所用的程序为VASP(Viennaab-initio Simulation Package)第一性原理计算程序软件包。我们工作包括以下两个部分： 首先,我们研究了还原的和未还原的Ce0.75Zr0.25O2(110)体系,并与纯净CeO2体系进行几何结构和电子结构的对比,从中研究掺入某些特定的杂质(如Zr)对CeO2表面体系性质的影响。考察了表面氧空位形成时的结构和形成能的差异。为了进一步探究掺杂对二氧化铈催化特性的影响,我们还考察参杂体系的表面对有害的小分子气体的吸附能力和氧化能力,并与纯净二氧化铈表面的气体吸附能力和氧化能力进行了比较,考察了掺杂前后的体系对有害气体的吸附能力和氧化能力差异。从不同角度较为全面地认识了掺入杂质(Zr)对还原性氧化物(如CeO2)催化能力的影响。 其次,我们研究了以CeO2为基的Rh团簇对解离和去除有害气体(如NO)的催化机理。考察了还原性氧化物衬底对金属团簇的能带结构的影响,并阐明了这种影响如何改变或提高贵金属的催化性能。另外,通过对金属表面和金属团簇的电子结构和对NO吸附、分解能力的比较,我们在一定程度上也阐明了金属催化剂在纳米尺度上的量子效应,并得到了一些有意义的结论。 我们的工作对寻找高效催化剂有一定的理论指导意义。并为今后有关以CeO2为电解质的固体氧化物燃料电池的机理研究打下了良好的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1汽车尾气的危害和处理途径

1.1.1汽车尾气的产生和包括的成份

1.1.2尾气的处理方法

1.2二氧化铈在三元催化剂中的作用和相关的改进措施

1.2.1在二氧化铈基在三元催化剂中的作用

1.2.2一些提高三元催化剂性能的措施

第二章基本理论

2.1密度泛函理论

2.1.1 Hohenberg-Kohn定理

2.1.2 Kohn-Sham方程

2.1.3交换相关能量泛函

2.1.4DFT+U方法

2.2赝势方法

2.2.1赝势方法的基本思想

2.2.2PAW势

2.3密度泛函理论的数值计算方法

2.3.1基于基组函数方法

2.3.2基于实空间网格的方法

2.4第一性原理程序包

2.4.1 VASP程序包

2.4.2其它程序包

第三章掺Zr对表面的空位形成以及气体吸附特性的影响

3.1计算方法及模型

3.1.1计算方法

3.1.2计算模型

3.2 Zr杂质对二氧化铈表面体系影响

3.2.1未还原的表面

3.2.2还原性表面

3.2.3对空位形成过程中电子迁移的分析

3.2.4结论

3.3 Zr掺杂对CeO2吸附小分子气体(CO)的影响

3.3.1吸附体系的几何结构和吸附能：

3.3.2电子结构

3.3.3振动频率

3.3.4杂质是如何影响CO分子的吸附的

3.3.5 CO在Ce0.75Zr0.25O2(111)面的吸附

第四章Rh团簇和CeO2在还原N0时的协同催化机制

4.1计算方法及模型

4.2计算结果与讨论

4.2.1团簇体系、块体、表面体系、以及小分子体系的结构优化

4.2.2 Rh团簇在在CeO2(111)表面的吸附

4.2.3 NO在不同催化剂上面的吸附和解离

4.2.4 NO在Rh3／CeO2(111)催化剂上面的还原

4.3小结

第五章总结

参考文献

致谢

硕士期间完成的论文