氧原子在Ni(110)和Ni(111)表面吸附

摘要

近年来，随着多相催化的迅猛发展，表面吸附作为多相催化的关键环节越来越显示出其广阔的发展前景。镍和铁等过渡族金属，因其特有的d电子结构，使他们具有很好的活性、稳定性和选择性，所以大多数金属催化剂都是Ni、Pd、Fe、Pt等过渡金属。而氧在过渡金属表面的吸附是催化过程中比较重要的一步，因此有必要对氧在过渡金属表面吸附进行理论研究。这将有助于我们理解吸附物与衬底之间相互作用的本质，从理论的角度验证实验结果并对实验现象进行解释，提供部分实验工作者无法观测到的重要信息。
　　 随着计算水平和计算方法的不断提高，密度泛函理论的发展日趋成熟，目前已广泛应用于过渡金属体系的理论研究。本文应用基于密度泛函理论的CASTEP软件包，结合广义梯度近似、平面波赝势和超单胞方法对不同覆盖度下氧原子吸附在Ni(110)和Ni(111)表面时的几何结构和电子结构进行了系统的研究。
　　 研究表明氧原子在Ni(110)表面的择优吸附位受覆盖度影响，低覆盖度时吸附在短桥位，而高覆盖度时吸附在长桥位。氧原子在Ni(111)表面的择优吸附位不受覆盖度影响，氧原子均优先吸附到三重洞位。研究还发现当氧原子吸附到Ni(111)表面fcc、hcp和bridge位时，吸附能差别不大，几种位置的吸附可能同时存在。
　　 研究还发现清洁Ni(110)和Ni(111)表面的弛豫与多数过渡金属有相同规律，最外原子层向内收缩；而有氧吸附的Ni(110)和Ni(111)表面最外原子层向外拉伸。通过对表面能的分析我们发现清洁Ni(110)和Ni(111)表面都属于化学性质比较活跃的表面，表面很容易吸附氧原子，并迅速被氧原子填满，形成覆盖度为1ML的结构。
　　 另外通过对差分电荷密度、布居数和态密度的分析，发现氧原子在Ni(110)和Ni(111)表面吸附时电子由表层镍原子向氧原子转移；在-5eV附近出现由氧原子的2p轨道和表层镍原子的3d轨道相互作用产生的表面局域态；氧原子和镍原子间的成键作用的主要来自O2p和Ni3d轨道的贡献。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 表面及其吸附

1.1.1 表面

1.1.2 表面的吸附

1.1.3 物理吸附和化学吸附

1.2 研究现状

1.2.1 实验研究现状

1.2.2 理论研究现状

1.3 研究内容

第二章 密度泛函理论基础

2.1 量子力学基本原理及基本近似

2.1.1 多粒子系统的定态薛定谔方程

2.1.2 Born-Oppenheimer近似(绝热近似)

2.1.3 单电子近似

2.2 密度泛函理论

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理

2.2.2 Kohn-Sham方程

2.2.3 交换关联能

2.2.4 解Kohn-Sham方程

2.3 赝势

2.3.1 赝势的导出

2.3.2 模守恒赝势

2.3.3 超软赝势

2.4 平面波基底展开

2.5 DFT方法的程序实现

2.6 CASTEP简介

第三章 氧原子在Ni(110)表面吸附的密度泛函理论研究

3.1 覆盖度定义

3.2 计算参数选择

3.3 计算模型

3.3.1 O模型

3.3.2 Ni模型

3.3.3 Ni(110)表面模型及Ni(110)表面的主要吸附位置

3.3.4 Ni(110)表面吸附氧原子的计算模型

3.4 结果和讨论

3.4.1 吸附位置和吸附能

3.4.2 表面弛豫

3.4.3 表面能及表面稳定性

3.4.4 电子结构

第四章 氧原子在Ni(111)表面吸附的密度泛函理论研究

4.1 计算参数选择

4.2 计算模型

4.2.1 Ni(111)表面模型及Ni(111)表面的主要吸附位置

4.2.2 Ni(111)表面吸附氧原子的计算模型

4.3 结果和讨论

4.3.1 吸附位置和吸附能

4.3.2 表面弛豫

4.3.3 表面能及表面稳定性

4.3.4 电子结构

第五章 结论

参考文献

致谢