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金属原子Cu,Ag,Au吸附于CeO2(111)和(110)面的第一性原理研究
作 者: 李沛娟
导 师: 施思齐
学 校: 浙江理工大学
专 业: 应用化学
关键词: CeO2表面 吸附 金属M(Cu, Ag, Au)原子 第一性原理计算 固体氧化物料电池阳极
分类号: TM911.4
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
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内容摘要
立方萤石型二氧化铈(CeO2)是一种工业上重要的稀土金属氧化物材料,具有价格低廉、热稳定性好、无毒且环境友好等特点,是目前广受关注的固体氧化物燃料电池理想的阳极材料之一。CeO2的催化活性和电化学性能与其表面性质密切相关。本论文采用基于密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)的第一性原理计算研究了金属原子M(Cu, Ag, Au)在CeO2(111)和(110)面的吸附行为,并和可获得的实验结果进行了系统的比较,着重分析了金属原子M(Cu, Ag, Au)与CeO2(111)和(110)构成的界面原子和电子结构,主要结论如下:1.研究了M(Cu, Ag, Au)在CeO2(111)面上的吸附行为。对于Cu和Ag,最稳定吸附位是三配位(Od),Au的最稳定吸附位是氧桥位(Ou-Ou),三者的吸附能大小顺序为Cu>Ag>Au。吸附后金属原子均能被氧化成+1价。通过对净磁矩和电子态密度的分析,我们发现对于同一种吸附位置,电子可以局域在不同的Ce上。一般说来,具有电子局域在远离金属原子M(Cu, Ag, Au)的表面Ce上的构型更为稳定,这与M(Cu, Ag, Au)-Ce-O键的形成有关,进而很好地解释了实验现象。2.研究了M(Cu, Ag, Au)在CeO2(110)面上的吸附行为。Cu和Au原子优先吸附在CeO2(110)面的氧桥位(Ou-Ou),而Ag原子则优先吸附在表面铈桥位(Ce-Ce),三者的吸附能大小顺序为Cu>Au>Ag。吸附后金属原子均能被氧化,值得一提的是,我们首次在理论上发现当Cu吸附于CeO2(110)面铈桥位(Ce-Ce)时,Cu会被氧化成Cu2+,进而较合理地解释了实验现象。类似于M(Cu, Ag, Au)吸附在CeO2(111)面的情形,同一个吸附位置也存在不同的电子局域构型。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-9 第一章 绪论 9-27 1.1 课题来源及研究的目的和意义 9-14 1.1.1 固体氧化物燃料电池的组成和工作原理 10-11 1.1.2 固体氧化物燃料电池材料的研究现状 11-12 1.1.3 固体氧化物燃料电池阳极材料的研究现状 12-14 1.2 课题研究背景 14-18 1.2.1 CeO_2 体相的性质 14-15 1.2.2 CeO_2 表面的性质 15-17 1.2.3 金属吸附对CeO_2 材料改性的研究现状 17-18 1.3 研究内容与论文结构 18-20 参考文献 20-27 第二章 原理与方法 27-37 2.1 薛定谔方程及近似计算 27-29 2.1.1 薛定谔(Schr?dinger)方程 27-28 2.1.2 绝热近似(Born-Oppenheimer 近似) 28 2.1.3 单电子近似(Hartree-Fock 近似) 28-29 2.2 密度泛函理论 29-33 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理 29-30 2.2.2 Kohn-Sham 方程 30-32 2.2.3 自洽计算 32 2.2.4 局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA) 32-33 2.3 第一性原理计算方法 33-34 2.3.1 平面波基组 33-34 2.3.2 赝势 34 2.4 结构优化 34-35 参考文献 35-37 第三章 金属原子Cu, Ag, Au 吸附于CeO_2(111)面的第一性原理研究 37-54 3.1 引言 37-38 3.2 计算方法与理论模型 38-40 3.2.1 计算方法 38-39 3.2.2 理论模型 39-40 3.3 结果和讨论 40-49 3.3.1 金属原子Cu 吸附于CeO_2(111)面的原子和电子结构 41-44 3.3.2 金属原子Ag 吸附于CeO_2(111)面的原子和电子结构 44-45 3.3.3 金属原子Au 吸附于CeO_2(111)面的原子和电子结构 45-49 3.4 本章小结 49-50 参考文献 50-54 第四章 金属原子Cu, Ag, Au 吸附于CeO_2(110)面的第一性原理研究 54-68 4.1 引言 54 4.2 计算方法和理论模型 54-56 4.2.1 计算方法 54-55 4.2.2 理论模型 55-56 4.3 结果和讨论 56-64 4.3.1 金属原子Cu 吸附于CeO_2(110)面的原子和电子结构 56-60 4.3.2 金属原子Ag 吸附于CeO_2(110)面的原子和电子结构 60-61 4.3.3 金属原子Au 吸附于CeO_2(110)面的原子和电子结构 61-64 4.4 本章小结 64-65 参考文献 65-68 第五章 总结与展望 68-70 5.1 总结 68 5.2 展望 68-70 攻读学位期间的研究成果 70-71 致谢 71
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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 独立电源技术(直接发电) > 化学电源、电池、燃料电池 > 燃料电池
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