气体环境下金属与金属氧化物催化剂纳米颗粒表面形貌研究

发布时间：2017-06-21 18:18

  本文关键词：气体环境下金属与金属氧化物催化剂纳米颗粒表面形貌研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为催化剂领域的重要组成部分,金属和金属氧化物的催化性能一直备受关注。尤其以Pt、Pd等贵金属以及过渡族金属氧化物(如Ti02等)作为重要的催化剂材料,在环境和能源领域有很大的应用前景。以Pt为代表的Pt基金属材料被广泛应用于低温燃料电池的阴极和阳极材料(如PEMFCs)；以Pd为代表的金属催化材料在涉氢工业领域中被广泛应用,如：氢气的提纯、氢化与脱氢、甲烷汽转化等；而TiO2则通过光催化手段在裂解水制氢和环境污染治理等领域发挥重要作用。然而,所有的这些材料的优异性能都与其表面形貌密切相关。本文通过结合原位透射电子显微镜和第一性原理计算方法,研究了Pt、PdCu、TiO2等纳米催化材料的表面形貌。主要研究内容如下：(1)发现了一种新的Pt-{100)-(2×2)-O重构,并提出了具有高可信度的原子有序位移模型。本文通过环境透射电子显微镜,在400℃高温和O.1 Pa氧分压.的条件下原位观测到了Pt纳米颗粒{100}表面的一种新的重构形式。通过利用不同视角的高分辨像(HRTEM)对材料进行原位表征,确定了其{100}表面发生了p(2×2)重构。在排除了其他的可能性之后,提出了一种高可信度的原子有序位移模型。通过Multislice方法模拟高分辨图片显示,与实验结果吻合的很好；(2)确定了Ti02的(001)面(1×4)重构的原子模型。利用第一性原理方法,系统计算分析了TiO2纳米片(001)面(1×4)重构的五种模型,引入氧的化学势,在实际实验的条件下,通过比较表面能大小,最终确定了最稳定的(1×4)重构的原子模型；(3)发现了PdCu球形纳米颗粒随着外界氢气压的变化而发生形貌变化。并揭示了1 bar氢气压下,PdCu纳米颗粒变成方形的原因。本文通过利用气体加热样品杆和透射电子显微镜,原位观测到了PdCu球形纳米颗粒的形貌在不同氢气压下有不同的行为：在0.016 bar等较低的氢气压下能够保持球形形貌,而在1bar氢气压的条件下变成方形颗粒。通过第一性原理计算并结合Langmuir等温吸附模型,获得PdCu合金三个低指数面(001}、(110)、(111)在不同氢气压下的表面能数据,揭示了在lbar氢气压下PdCu纳米颗粒是方形的原因。
【关键词】：表面重构 原位电子显微学 第一性原理 Pt PdCu TiO_2
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;O643.36
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 催化剂概述10-12
• 1.1.1 催化剂的定义10
• 1.1.2 催化剂的特点10-11
• 1.1.3 催化剂的分类11-12
• 1.2 纳米催化剂材料的应用12-18
• 1.2.1 环境领域的应用12-14
• 1.2.2 工业领域的应用14-17
• 1.2.3 能源领域的应用17-18
• 1.3 纳米催化剂材料的表面结构18-22
• 1.3.1 表面研究的重要性18-19
• 1.3.2 材料表面的原子结构19-20
• 1.3.3 材料表面的物理与化学吸附20-21
• 1.3.4 材料的表面能与表面张力21-22
• 第二章 计算方法与理论背景22-28
• 2.1 第一性原理方法22
• 2.2 密度泛函理论22-26
• 2.2.1 Born-Oppenheimer近似和Hartree-Fock近似23-24
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn定理24
• 2.2.3 Kohn-Sham方程24-25
• 2.2.4 交换关联泛函25-26
• 2.3 赝势方法26-28
• 第三章 实验设备与仪器28-32
• 3.1 场发射透射电子显微镜28
• 3.2 环境透射电子显微镜28-29
• 3.3 纳米反应室气体样品杆系统29-32
• 第四章 低氧分压下Pt纳米颗粒的表面重构研究32-44
• 4.1 前言32
• 4.2 实验方法32-33
• 4.3 模拟方法33-34
• 4.4 结果和讨论34-43
• 4.5 本章小结43-44
• 第五章 低氧分压下TiO_2纳米颗粒的表面重构研究44-54
• 5.1 前言44-45
• 5.2 实验方法45-46
• 5.3 模型构造与计算方法46
• 5.4 模拟方法46-47
• 5.5 结果与讨论47-52
• 5.6 本章小结52-54
• 第六章 不同氢分压下PdCu合金纳米颗粒的形貌研究54-66
• 6.1 前言54-55
• 6.2 实验方法55-56
• 6.2.1 样品的制备方法55
• 6.2.2 样品的表征方法55-56
• 6.3 计算方法56
• 6.4 模拟方法56-57
• 6.5 结果与讨论57-65
• 6.6 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-76
• 致谢76-78
• 个人简历78-80
• 攻读学位期间发表的学术论文与取得的其他研究成果80

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