过渡金属纳米团簇稳定性和催化性能的第一性原理计算研究

摘要

本文运用第一性原理模拟计算方法系统研究了棱能对过渡金属纳米团簇几何结构和幻数的决定性作用，并把传统认为的过渡金属纳米团簇的幻数性解释机制ClassicalWulffConstructionPrinciple(CWCP)推广到包含棱能的决定性作用，提出GeneralizedWulffConstructionPrinciple(GWCP).
　　 第一章，首先我们简单介绍了团簇研究的背景知识，回顾了催化剂尺度由大到小、功能由简单到复杂的进化过程，以及特殊结构、特定功能纳米团簇催化剂的研究进展。
　　 第二章，介绍了本文模拟计算的基础理论与方法。
　　 第三章，我们系统研究了棱能对过渡金属纳米团簇几何结构和幻数的决定性作用。在纳米科学中，一些包含特定原子数目的团簇特别稳定并表现出独特的性质，这些特定的原子数目被称为团簇的幻数。对团簇幻数的理论解释，目前存在两种主要机制:其一是对简单金属和贵金属团簇的电子壳层禁闭;其二是对稀有气体团簇的原子壳层禁闭。后一种机理从根本上讲起源于CWCP，这个原理指出团簇的最优化结构应当使其具有最小的总表面能（实际上往往表现为最小的总表面积，比如水滴总是圆形的）。在这一原理指导下，人们往往想当然地认为，过渡金属的幻数团簇应当呈现出Mackay二十面体的原子闭壳层构型并具有一系列奇数的幻数，如13、55、147等。本文以包含55个原子的过渡金属纳米团簇为例，证明CWCP必须加以推广，以强调棱能的决定性作用。我们的研究显示大部分3d-、4d-和5d-TM55团簇的最稳定结构为具有更少棱原子的面心立方或六角密排晶体的块状碎片，而不是传统意义下的具有最小表面积的二十面体结构，同时团簇的幻数不再是奇数的55，而是转变为56、58等偶数。我们建立的GWCP对特定功能纳米团簇的制造具有指导性意义。
　　 第四章，鉴于上述棱能对团簇结构和稳定性的决定性作用，然而到目前为止，还没有一个明确的方法，能够正确的计算或估算棱能的数值。这里，我们发展了一种简单的对比法，能够估算棱能的数值，从而填补了纳米尺度团簇棱能计算的空白。
　　 第五章，作为棱效应的典型例子，我们发现5d的靠后元素Pt57团簇具有很强的幻数性特征，以此为载体，我们研究了其对CO和O2共吸附。由于Pt57团簇独特的表面结构和棱结构，CO和O2选择吸附在不同的位置，从而引起CO和O2的共同激发，为实验上避免或减弱催化剂的中毒现象（其机理之一为催化剂的活跃位被一种反应物过分占据，而另一种反应物难以激发）提供了一定的借鉴意义。
　　 第六章，总结全文。我们对过渡族金属团簇棱能的发现以及棱能对团簇结构稳定性和幻数性决定性作用的研究，对功能型纳米材料、纳米器件（如纳米催化）等领域将产生重要的影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 催化科学简介

1．1．1 在能源和化工方面

1．1．2 在军事和燃料方面

1．1．3 在人类健康和医药方面

1．1．4 在环境保护方面

1．1．5 在消费产品方面

1．2 催化剂工业发展史

1．2．1 条状和锭状催化剂

1．2．2 小球、微球型化工催化剂

1．2．3 分子筛催化剂

1．2．4 特殊结构催化剂

1．2．5 纳米催化剂

1．3 过渡金属团簇纳米催化剂

1．4 本论文研究的主要内容

第二章 理论与方法

2．1 第一性原理从头算方法

2．2 密度泛函理论

2．2．1 多粒子体系的薛定谔方程

2．2．2 绝热近似

2．2．3 Hohenberg-Kohn定理

2．2．4 Kohn-Sham单电子方程

2．3 计算软件简介

2．3．1 VASP

2．3．2 LAMMPS

第三章 过渡金属纳米团簇的幻数性—-Generalized Wulff Construction Principle

3．1 引言

3．2 结果与讨论

3．2．1 Ru55团簇的最稳定结构

3．2．2 棱能的决定性作用

3．2．3 Ru55附近的幻数团簇

3．2．4 nd-TM55(n=3，4，5)团簇的结构

3．2．5 幻数性的推广

3．3 小结

第四章 棱能的估算——对比法

4．1 引言

4．2 结果和讨论

4．2．1 棱能计算的连续统法

4．2．2 连续统方法的失效

4．2．3 对比法

4．3 小结

第五章 CO和O2在Pt57幻数团簇上的共吸附

5．1 引言

5．2 Pt团簇的三层轮状结构

5．3 CO和O2的共吸附

5．4 小结

第六章 总结

参考文献

致谢

附录

附录A Ru55十个代表性异构体的几何结构

附录B Ru55十个稳定异构体的相对能量平均最近邻键长、s-d杂化因子以及它们的结构组分

附录C 4d过渡金属四个代表性元素55附近的最稳定结构

硕士期间发表的文章