掺杂Au、Ag、Cu、Ni的Pd团簇及CO、NO吸附稳定性的理论研究

摘要

CO和NO作为汽车尾气的主要成分不仅对环境造成污染，同时也对人体健康构成威胁。钯团簇（Pdn簇）凭借其特殊的电子结构及选择催化活性，被广泛应用于治理大气中的CO、NOX等有毒气体。近年来，研究者更多的注意到掺杂团簇，即掺杂了其他金属的钯团簇，由于掺杂的金属改变了原团簇的物理和化学性质，相比于纯钯团簇，它们有着更好的催化效果。因此，掺杂团簇已成为目前的研究热点。掺杂金属一般为：Au、Ag、Cu和Ni。其中Au、Ag、Cu属于第IB族的元素，Ni、Pd属于第Ⅷ族。 本论文利用Gaussian 09软件包，选用B3LYP杂化密度泛函方法，对C、N、O原子采用6-311++G（d，p）基组，对过渡态金属原子Pd、Au、Ag、Cu和Ni采用LANL2DZ赝势基组。研究了团簇和掺杂团簇分别吸附CO和NO的现象和相关性质。目的是为了寻找吸附效果较好的团簇体系，确定吸附位置对团簇稳定性、吸附效果和吸附活性的影响，为进一步的催化氧化研究和相关实验提供理论指导。 本文主要的研究内容及结果如下： 1）通过原子特性构建团簇结构Pdn（n=4-13）团簇和Pdn-1X（n=4-13，X=Au、Ag、Cu、Ni）掺杂团簇，几何优化后，比较团簇中各原子间的键长、团簇的HOMO-LUMO gap、平均结合能以及二阶差分能量随团簇尺寸的变化规律。掺杂团簇各体系比纯钯团簇稳定性好。在纯钯团簇中，Pd5和Pd7的稳定性较好；在掺杂团簇中，Pd6Au，Pd8Au，Pd10Au，Pd5Ag，Pd8Ag，Pd5Cu，Pd8Cu，Pd4Ni，Pd10Ni的稳定性较好，其中，掺杂Ni原子的团簇更稳定。 2）在Pdn（n=4-13）团簇和第一步得到的稳定的掺杂团簇中，建立了多个Top、Bridge、Hollow吸附位置吸附CO的体系，并对体系优化，选出能量最低的体系进行分析。在含有掺杂金属Au、Ag的团簇中，Bridge位吸附效果较好，其余团簇的Top位的吸附效果较好。Pd12-Bridge，Pd6Au-Bridge，Pd5Ag-Bridge，Pd4Ni-Hollow有较好的吸附性，掺杂团簇吸附CO效果更好。所有团簇的Hollow位的活化效果最佳。 3）在Pdn（n=4-13）团簇和第一步得到的稳定的掺杂团簇中，建立了多个Top、Bridge、Hollow吸附位置吸附NO的体系，并对体系优化，选出能量最低的体系进行分析。Top位和Bridge位均出现较好的吸附表现。Pd6-Top，Pd6-Bridge，Pd6-Hollow，Pd10-Hollow，有较好的吸附效果，掺杂团簇Pd6Au-Top和Pd6Au-Bridge仅比其他掺杂团簇吸附效果较好，纯钯团簇吸附NO效果更好。所有团簇的Hollow位的活化效果最佳。 本文的研究结果对进一步讨论掺杂团簇催化氧化CO和NO寻找最优路径做了铺垫性工作，同时将为小分子吸附于小尺寸掺杂团簇表面的实验提供可靠地理论支持。

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