MoO3(010)表面吸附体系的密度泛函理论研究

摘要

近年来随着机动车尾气的危害日益严重，尾气中的NOx脱除已成为环境催化领域的重要研究课题。本文从第一性原理出发，采用量子化学计算手段考察了MoO3(010)表面NH3、NO、H2O、O2的吸附状况及不同OT空位对吸附的影响。结果表明：　　 (1)NH3只能以N端吸附的方式吸附于MoO3(010)面的OT空位，H端吸附的方式则不可行。吸附后NH3失电子并得到较小程度的活化，OT空位的Mo原子得到电子被还原。周围第二个OT空位的存在对吸附后NH3的平衡几何构型基本没有影响，但吸附能、电子电荷迁移量、Mo还原程度则发生一定的变化：间位OT空位的存在使NH3吸附的稳定性增强，而邻位OT空位的存在则使NH3吸附的稳定性降低；邻位OT空位和间位OT空位的存在均使电子电荷的迁移量有所减少；邻位OT空位和间位OT空位的存在降低了反应位Mo原子的还原程度，此时邻位OT空位的影响强于间位OT空位。另外，NH3在B酸位吸附的稳定性不如不如L酸位吸附稳定。　　 (2)NO可以以N端吸附的方式吸附于OT空位，也可以以O端吸附的方式吸附于OT空位，但O端吸附时的稳定性明显不如N端吸附时的稳定性强，这是由于NO分子中N原子比O原子具有更强的给电子能力和更强的接收电子能力。NO以N端吸附的方式吸附于OT空位时为可自发的化学吸附，吸附后NO得电子的同时被活化，OT空位的Mo原子得到电子被还原。周围第二个OT空位的存在使NO氮端吸附的稳定性增强、Mo原子还原程度增大、电子电荷迁移量增大，同时进一步促进NO的活化。对于前三个方面间位OT空位的影响要大于邻位OT空位的影响，最后一个方面则是二者影响程度相当。电子电荷迁移量越大，吸附越稳定，表明电子贡献对NO在MoO3(010)面的N端吸附及其稳定性有着至关重要的作用。　　 (3)H2O只能以O端吸附的方式吸附于MoO3(010)面的OT空位，H端吸附的方式则不可行。O端吸附时为可自发进行的化学吸附，吸附后H2O失电子并得到一定程度的活化，OT空位的Mo原子失去电子被氧化。周围第二个OT空位的存在使H2O吸附的稳定性降低、电子电荷迁移量降低，同时进一步促进H2O的活化。H2O吸附的稳定性与电子电荷迁移量、H2O的活化程度存在线性相关性，即稳定性越低，电子电荷迁移量越低，活化度越大，表明电子贡献对H2O在MoO3(010)面的吸附及其稳定性有着至关重要的作用。　　 (4)当O2垂直吸附于MoO3(010)面的OT空位时为可自发进行的化学吸附，吸附后O2得电子并得到一定程度的活化，OT空位的Mo原子失去电子被氧化。周围第二个OT空位的存在对O2吸附稳定性基本没有影响，但是对电荷布居产生的一定的影响：使电子电荷迁移量增大、反应位Mo原子的氧化程度增大，同时进一步促进了被吸附物O2的活化，邻位OT空位对这些方面的影响作用均要强于间位OT空位。　　 (5)NH3、NO、H2O、O2在存在OT空位的MoO3(010)表面均能进行稳定的化学吸附，表明形成的OT空位使Mo原子配位不饱和而具有较大的反应活性。NO以N端吸附的方式吸附于OT空位簇的稳定性最强；NH3和O2的吸附相对较弱且存在较强的竞争吸附，O2的吸附稳定性略强于NH3；H2O的吸附最弱。　　 (6)NH3、NO、H2O、O2稳定吸附于MoO3(010)面的OT空位后，被吸附物携带的电荷种类及电荷数量随被吸附物的不同而不同。NO和O2吸附后被吸附物携带负电荷，这是由于被吸附物的原子都具有较大的电负性而使被吸附物具有强的得电子能力；NH3和H2O吸附后被吸附物均携带正电荷。NH3、NO、H2O、O2稳定吸附于MoO3(010)面的OT空位后，反应位Mo原子得失电子情况取决于与之相键合原子类型。NH3和NO氮端吸附时，即Mo-N相键合，Mo原子得电子被还原；而H2O、O2及NO氧端吸附时，Mo-O相键合，Mo原子则失电子被氧化。