Al2O3在Al(111)面形核机理的第一性原理

摘要

为了揭示金属Al粉末表面生成无定形Al2 O3的反应机理,基于具有周期性边界条件的超晶胞模型,采用第一性原理密度泛函理论中的广义梯度近似计算方法,计算并分析了三氧化二铝(Al2O3)在Al(111)面的形核过程,根据前人的实验结果总结和提出了4条反应路径,对O2和Al2 O3分子在Al(111)表面的吸附性质进行了结构和能量分析,分别由3个或4个基元步构成.结果表明,首先O2在Al(111)表面吸附时,O2发生O—O键断裂形成中间产物AlO,该中间产物再继续和Al原子、O原子、AlO进一步反应形成Al2 O、AlO2、Al2 O2等中间产物,最终形成Al2 O3.从这些中间产物之间的自由能变化可以看出,AlO和O2参与反应的中间步能量分别下降8.37和8.08 eV,而形成AlO2和Al2 O等中间产物时能量分别上升1.27和0.76 eV,但是整个Al2 O3形核反应是放热的,即自由能降低15.19 eV.因此,三基元和四基元反应都易在Al表面生成Al2 O3.