第一性原理研究CO等气体分子在金属掺杂氮化硼上的吸附特性

发布时间：2017-07-27 05:03

  本文关键词：第一性原理研究CO等气体分子在金属掺杂氮化硼上的吸附特性

  更多相关文章： 密度泛函理论 h-BN 吸附特性 CO催化氧化 反应机制

【摘要】：随着现代工业、交通运输业的迅速发展,大量的有毒有害的气体分子都被排入空气中,这些有毒物质对人类赖以生存的环境造成了极大的危害。CO作为其中的主要污染物之一,具有无色、无味、有毒的特性,对环境危害很大,因此如何有效的消除CO是迫在眉睫的事。目前最有效的方法之一就是通过催化氧化,因此寻找在低温条件下廉价高效的催化剂是非常有价值意义的。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了CO等若干气体小分子在金属掺杂的h-BN上的吸附特性,以及CO在金属掺杂的h-BN体系上的催化氧化反应,主要研究工作及结果如下:1.研究了小分子(CO,O_2,NO,SO_2,H_2,H_2S等)在Co掺杂的h-BN体系下的吸附性质。研究结果表明:Co的掺入可以改变BN的电子结构,掺杂原子周围电荷的重新分布导致CO,NO,SO_2,H_2S等气体分子主要吸附在Co及其近邻六元环的顶位。Co-BN对上述几种气体分子表现出了较好的吸附和活化特性,为气敏元器件和非贵金属催化剂催化氧化CO等相关能源设备的大规模应用提供了理论依据。2.研究了CO在Co掺杂的h-BN的体系上的催化氧化。结果表明:对于LH机制,CO的催化氧化反应的第一步CO+O_2→CO_2+O,需要克服0.17 eV形成中间态OCOO,然后再克服0.55 eV的势垒分解成CO_2分子和O原子。最后第二个CO分子与剩余的O原子反应生成CO_2分子释放出去,反应势垒为0.16 eV。对于ER反应机制,整个反应的限速步为0.89 eV,与之相对应的反应过程是CO+O_2→CO_3。TER反应机制O_2是被吸附的两个CO分子活化然后与之生成中间态OCO-Co-OCO,这个机制的反应限速步是0.41 eV,对应于2CO(ad)+O_2→OCO-Co-OCO这一反应过程。3.研究了CO在Mn掺杂的h-BN体系上的催化氧化。结果表明:在ER机制下,该催化剂对CO的氧化反应的效果非常好,CO+O_2(ad)→CO_3(ad)需要克服能量势垒是0.16 eV,CO_3(ad)→CO_2(gas)+O(ad)所需的能量势垒是0.01 eV限速步的能量势垒只有0.19 eV。LH机制下的反应也比较容易发生,其限速步的能量势垒较ER机制比稍微大一些,是0.37 eV。TER机制下需要的最大是势垒是0.67 eV。
【关键词】：密度泛函理论 h-BN 吸附特性 CO催化氧化 反应机制
【学位授予单位】：河南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O643.31;X701
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 研究现状及进展11-17
• 1.3 本文主要研究内容17-18
• 第二章 理论基础与计算方法18-28
• 2.1 绝热近似19-20
• 2.2 密度泛函理论20-23
• 2.2.1 Thomas-Fermi模型20-21
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn定理21
• 2.2.3 Kohn-Sham方程21-23
• 2.2.4 交换关联项23
• 2.3 布洛赫定理和超原胞模型23-24
• 2.3.1 布洛赫定理23-24
• 2.3.2 超原胞模型24
• 2.4 密度泛函计算软件Dmol~324-25
• 2.5 表面模拟25
• 2.5.1 表面的表达25
• 2.5.2 模型25
• 2.6 过渡态的计算方法25-28
• 第三章 气体分子在BN催化剂表面吸附的第一性原理研究28-34
• 3.1 引言28
• 3.2 计算方法与模型28-29
• 3.3 结果和讨论29-32
• 3.3.1 Co掺杂BN衬底模型29-30
• 3.3.2 O_2等气体分子在BN衬底上的吸附30-32
• 3.4 O_2等气体分子和BN衬底之间的电荷转移32-33
• 3.5 总结33-34
• 第四章 CO在钴（Co）掺杂六方氮化硼（h-BN）作为催化剂的衬底上的氧化反应34-42
• 4.1 前言34
• 4.2 理论方法34-35
• 4.3 结果与讨论35-41
• 4.3.1 Co在六方氮化硼上的掺杂35-37
• 4.3.2 气体分子O_2，CO，O和CO_2在Co-BNNS上的吸附37-38
• 4.3.3 CO的氧化反应路径38-41
• 4.4 总结41-42
• 第五章 CO在锰(Mn)掺杂的六方氮化硼（h-BN）作为催化剂上的氧化反应42-52
• 5.1 前言42
• 5.2 计算方法42-43
• 5.3 结果与讨论43-50
• 5.3.1 Mn在h-BN上的掺杂的几何结构及其稳定性43-44
• 5.3.2 气体分子CO，O_2， CO_2，和O在体系Mn BN上的吸附44-50
• 5.4 总结50-52
• 参考文献52-56
• 致谢56-57
• 攻读硕士学位期间的主要工作57-58

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