CeO2表面的电子局域性质及其对CO催化氧化的第一性原理研究

摘要

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算系统研究了氧空位的形成以及金属原子M(M=Cu,Ag,Au)的吸附对CeO2表面原子和电子结构的影响以及CO在CeO2表面的吸附行为。
　　 系统研究并比较了CeO2(110)、(111)和(100)面形成氧空位后的原子和电子结构,并与可获得的实验数据进行了比较。(一)形成氧空位的稳定性不同:在CeO2(110)和(100)面上,表层的氧空位比次表层的氧空位稳定;在(111)面上,次表层氧空位的稳定性大于表层氧空位;CeO2(110)面具有最低的氧空位形成能,接下来是(100)和(111)面。(二)由于氧空位形成而遗留下的两个电子的分布规律不同:CeO2(111)和(110)面,两个电子容易局域在氧空位的两个次近邻Ce上;对于(100)面,电子分布在距离空位的一个最近邻和一个次近邻的Ce离子上时最稳定。
　　 研究了金属原子M(M=Cu,Ag,Au)在极性面CeO2(100)面上的吸附行为。金属原子M在氧桥位(Ou-Ou)位时吸附能最大,且吸附能顺序遵循:Cu＞Au＞Ag。吸附后金属原子M均被氧化为+1价离子,失去的电子容易局域在距离吸附原子M最近邻的Ce上。与CeO2(111)和(110)面相比,金属原子M吸附在(100)面上时更稳定。
　　 研究了CO和CeO2表面之间的作用机理,并和可获得的实验进行了比较。CO与表面的相互作用程度取决于不同的表面性质。在CeO2(111)上,CO的吸附很弱,而在CeO2(110)和(100)面上,CO的吸附作用较强,C原子与表面的两个氧原子发生强烈作用,形成类似CO32-结构。CO与具有单个氧空位的CeO2-x(111)p(2×2)面的相互作用较弱,吸附能小于0.5eV。与具有两个氧空位的CeO2-x(111)p(2×2)作用时,CO分子以C端吸附时较稳定。在氧空位的作用下,C-O键可能发生断裂,从而增强了CO分子与CeO2-x(111)面的相互作用。