钙钛矿型LaCoO3晶体表面性质及其NO氧化机理的DFT研究

摘要

氮氧化物作为主要的大气污染物之一，对环境和人体均有严重危害，对氮氧化物排放的控制和消除已经成为人们关注和研究的热点环境保护问题。钙钛矿型氧化物由于具有独特的结构特点和良好的电子性质，被视为传统的贵金属氮氧化物消除催化剂的潜在替代品。
　　随着量子化学的发展，密度泛函理论（DFT）被广泛应用于对固体材料电子性质的理论计算当中。传统的DFT方法对具有d电子的体系的计算存在比较明显的误差，多用DFT+U的方法调节、校正理论计算与实验值之间存在的差距。
　　本文对钙钛矿型氧化物LaCoO3进行了DFT研究，对其体相和表面结构进行了结构优化和分析。对比了DFT与DFT+U方法的计算结果，证实了后者在体相能带带隙和氧空位生成能等方面使得计算值更接近于实验值，相比于前者，后者带隙更宽、氧空位生成能更低。
　　通过计算，发现其立方结构的(001) CoO2截面具有良好的热力学稳定性和表面活性，容易生成表面氧空位这一表面反应的活性中心。Co3+离子在不同温度下具有三种不同的自旋态，不同自旋态对应的体系能量性质也不一样。
　　本文考察了低、中、高三种自旋态下体相和表面的能量，发现在较高温度所对应的高自旋态下，(001) CoO2截面具有比较优异的氧空位生成能。该计算结果对于较高温度下的实验操作而言，具有比较好的参考意义。
　　在此截面上，O2和NO的吸附以及相互的反应得到了研究。O2偏向于吸附在与Co形成八面体配位的位点上；而NO以N端向下吸附在晶格氧上方时，会形成NO2分子的结构。该NO2的脱附比较有利，而且也容易形成表面氧空位。

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第一章 文献综述

1.1氮氧化物的危害及消除技术

1.2钙钛矿型LaCoO3氧化物概述

1.3从头算法与密度泛函理论概述

1.4计算方法的改进

1.5钙钛矿型氧化物的DFT研究

1.6本文研究内容

第二章 计算方法

2.1第一性原理计算软件简介

2.2本文的软件和相关参数的选取

第三章 LaCoO3晶体能量的计算

3.1 理想晶体的体相及表面的能量计算

3.2菱面体型LaCoO3晶体的能量计算

3.3伪立方晶型LaCoO3晶体的能量计算

3.4本章小结

第四章 O2与NO在LaCoO3晶体表面的吸附以及反应的计算

4.1 O2在(001)面两种终端表面的吸附

4.2 NO在(001)面上的吸附

4.3 NO在LCO表面氧化的反应路径模拟计算

4.4本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢