Ga、In和稀土离子掺杂铝酸锌基的光电及吸附性能研究

发布时间：2016-12-15 13:44

  本文关键词：Ga、In和稀土离子掺杂铝酸锌基的光电及吸附性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

《昆明理工大学》 2015年

Ga、In和稀土离子掺杂铝酸锌基的光电及吸附性能研究

向超  

【摘要】：铝酸锌基具有优良的紫外阻隔性、高的热稳定性及低表面活性等性能,在反射性镀层、催化剂载体和催化剂等领域应用广泛。目前,随着汽车保有量快速增加,汽车尾气已成为重要的环境污染物,在汽车上安装的三效催化器难以在富氧、贫燃和低温条件下有效控制NOx和碳烟颗粒的排放,而一些尖晶石型氧化物具有较好的选择催化还原(SCR)脱除氮氧化物的性能,其中,镓掺杂的铝酸锌在二氧化硫和水共存时能长时间保持高的催化活性。由于吸附性能与催化性能密切相关,因此,理论研究尖晶石型催化剂的吸附性能具有重大理论意义。本文综述了尖晶石型氧化物选择催化还原脱除氮氧化物的研究背景,概括了小分子在尖晶石型催化剂表面的吸附性能及其研究现状,同时介绍了第一性原理计算的量子理论基础。采用第一性原理计算方法探究Ga、In和稀土离子掺杂铝酸锌基及其电学和光学性能,而研究的重点是NOx、H2O、SO2、O2、碱金属氢氧化物和碱金属氧化物在镓掺杂铝酸锌表面的吸附性能和O2对CH4-SCR脱除NOx的影响。取得如下的研究结果：1.探讨各种掺杂量的Ga, In和稀土离子对铝酸锌基质材料的结构、电学、光学性能的影响。采用56个原子晶胞研究了Ga掺杂ZnAl2O4基的结构、电学及光学性能,发现随Ga替代量的增加,尖晶石的单胞体积成近线性变化,Zn-O、Ga-O和Al-O键变长。ZnAl2O4的带隙为3.895eV,当Ga替代ZnAl2O4中的Al后使其从直接带隙变为间接带隙,其带隙较未替代的窄。此外,Ga替代ZnAl2O4的Al使价带顶—导带底电子跃迁发生改变,吸收限发生红移,静态折射率和反射率增大,同时使该尖晶石的能量损失谱峰变得平坦。通过计算ZnAl2-xO4结构、电学及光学性能,结果表明ZnAl2-xO4随替代量的增加其单胞体积和键长(Zn-O、In-O、Al-O)依次增大,带隙依次变窄。由于In替代ZnAl2O4的Al使其吸收限发生红移,静态折射率和反射率均增大,能量损失峰的变化情况为强度先减弱后增强。稀土离子(La3+、Ce3+、Pr3+、Nd3+)掺杂铝酸锌的研究结果表明,稀土离子RE掺杂铝酸锌使[RE06]八面体变形,从而使尖晶石的晶格常数发生畸变。除La以外,Ce, Pr和Nd掺杂ZnAl2O4基使其费米能级向导带方向移动。Ce和Pr掺杂ZnAl2O4基的费米能级出现尖锐的峰,其稳定性显著降低。2.通过对NOx、H2O、SO2、O2、碱金属氢氧化物和氧化物在镓掺杂铝酸锌表面的吸附性能进行计算,评价了气态小分子的吸附稳定性,初步探究了02在选择催化还原中的作用机制。通过对比ZnGaAlO4尖晶石的(100)与(110)面的态密度,同时对碱金属氢氧化物和碱金属氧化物修饰ZnGaAlO4表面对其带隙的影响进行评价,发现ZnGaAlO4的(100)面的带隙较(110)面的带隙窄。除KOH以外,LiOH、NaOH修饰ZnGaAlO4(100)使其带隙明显降低,反应性明显提高。Li2O、Na2O和K2O修饰ZnGaAlO4(100)也使其带隙降低,使其反应性得到显著改善,排列顺序为：Li2ONa2OK2O。考察了NO2、SO2和H2O的吸附性能,发现NO2具有更高的吸附强度,SO2和H2O首先吸附在Zn位,而没有覆盖在催化剂的活性Ga原子,催化剂表现出抗水、硫性能,与相关实验研究结果吻合。对比一氧化氮的N和O端在Zn位的吸附能和二氧化氮在Zn位的吸附能,并结合态密度分析这两种吸附构型的吸附机理,结果表明,NO的N端在Zn位吸附结构的稳定性较O端在Zn位吸附结构的稳定性高,吸附作用主要使前者的NO-π轨道发生显著变化。NO2在Zn为的吸附能更高,约为NO吸附能的2倍,这揭示了在Zn位生成的NO2的脱附是容易发生的(可自发进行)。考察了吸附分子的活化能,发现N02吸附在Ga位的活化能比吸附在Al位的活化能低。此外,对覆盖率为1/4ML、1/2ML、3/4ML、1ML的二氧化氮分子进行系统地研究,结果表明,随着覆盖率的增加,NO2的吸附强度降低,平均吸附能减小,平均净电荷明显减小。通过研究共吸附、解离吸附、多组分吸附可知,NO2的吸附强度较其它分子(CO2、N2、H2O、CH4)的吸附强度高,它与02共吸附具有强的排斥作用。O2使CH4和NO2解离能略有增加,使O-N和H-C键的强度略有增强。O2降低了反应物—金属吸附键的强度,相反O2增强了生成物—金属吸附键的强度。探究O2—反应物及O2—生成物吸附的协同效应,结合02对反应物及其对生成物能量水平的影响,发现O2使反应物和生成物处于更高的能量水平,但不能使他们的活化状态发生改变。NO2作为Lewis酸从表面得到电子,对其余分子(CO2、N2、H2O、CH4)吸附时情况正好相反,从吸附分子上得到电子的表面表现为弱酸性。02使CH4还原NO2反应的焓变明显增加,使反应物的活化能降低,从理论上揭示了O2降低选择催化还原反应温度的物理本质。

【关键词】：
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O643.36;O647.3
【目录】：

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