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固体材料对气体分子吸附机理的第一性原理研究

作　者: 王厚源
导　师: 陈亮；张秋菊；韦世豪
学　校: 宁波大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 密度泛函理论 XPS能谱临位Si-dimer脱氯螯合色散力
分类号: O647.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

固体材料对气体分子的吸附通常由表面或内部孔道来完成，气体分子吸附于材料表面能够使材料表面功能化，内部孔道的吸附通常用于气体的捕获、分离和催化。本文运用基于密度泛函理论的第一原理计算方法分别深入探究了四氯乙烯（C2Cl4）在Si（100）面上的吸附机理和金属盐螯合的金属有机骨架材料（Metal Organic Frameworks, MOFs）MOF-253对二氧化碳（CO₂）分子的吸附性能，其中包括单个Ni原子螯合的MOF-253对CO₂分子的催化或活化作用。硅基表面作为基底可用于有机气体分子的吸附，这对有机硅表面化学的研究具有重要意义。基于Zhang等之前提出的二氯乙烯（C₂H₂Cl₂）在Si（100）上的邻位硅双键双氯离解机理，本文对更为复杂的四氯乙烯在Si（100）上的吸附机理进行了计算模拟研究。首先对可能的单氯、双氯和四氯脱附的产物构型进行结构优化和吸附能的计算，结果表明，相比于Leung等通过插入机制提出的同位硅双键的离解构型，邻位Si-dimer脱氯产物具有更高的吸附能。为进一步分析其脱氯过程，我们通过采用climbing nudged elastic band （cNEB）方法计算邻位Si-dimer脱氯的反应能垒，以intra-dimer（一种Si（100）面模型）上的四氯脱附过程为例，邻位硅双键的双氯离解反应能垒不超过0.56eV，是室温下便可发生的主要反应过程，随着温度升高，双氯离解产物逐步失去剩余的两个氯原子（经过两个过渡态）形成四氯离解产物（intra-dimer hexa-σ），脱氯能垒分别为0.95和1.08eV。为进一步分析Leung等通过X-射线光电子能谱（X-rayphotoelectron spectra，XPS）实验观测到的室温和高温下的峰值迁移，我们对各种产物的C-1s和Cl-2s的电离能也进行了计算，得到的结果与XPS能谱峰和电子能耗谱（electron energy loss spectroscopy，EELS）振动频率实验结果的对比进一步证明了双氯邻位离解产物是室温下的主要产物，而四氯离解产物则需要在高温下获得。具有孔道结构的MOFs材料可用于气体存储、分离和催化等领域，近年来引起了研究学者们的广泛关注。2010年，Yaghi制备出了MOF-253，MOF-253结构中的有机配体上包含裸露的2,2’-二吡啶（2,2’-bipyridine，2,2’-bpy）位点，运用cNEB方法算出位点上的两个吡啶环相互翻转180o仅需要0.42eV的能垒，在常温下即可超越；运用色散力相互作用修正的DFT-D2方法计算得到，MOF-253对CO₂分子的吸附能介于-0.15eV与-0.50eV之间，并发现有机配体上的相邻双N位比单个N位具有更强的吸附性能；而经过硼氟酸铜（Cu（BF₄）₂）螯合的MOF-253对CO₂分子的吸附能也达到了-0.49eV，说明Cu（BF₄）₂对MOF-253的螯合有助于提高CO₂分子的吸附性能；而氯化镍（NiCl₂）螯合的MOF-253对CO₂分子的吸附性能并没有显著提高（介于-0.29eV和-0.35eV），通过Bader电荷和电子密度差分的计算得知，Cu（BF₄）₂的离子性要比NiCl₂的强，导致它们螯合后F所带电子要比Cl的多，Cu的正电性也比Ni的稍强，所以CO₂分子与Cu（BF₄）₂@MOF-253之间的库仑相互作用强于CO₂与NiCl₂@MOF-253间的作用。最后，我们讨论了MOF-253是否能够螯合一些活性基团进而对CO₂分子进行活化或催化，为简单起见，单个Ni原子被螯合进了MOF-253的有机配体上，发现Ni@MOF-253能够将CO₂分子的直线构型活化成142.7o角型，说明活性基团螯合的MOF-253有应用于CO₂分子催化活化的潜力。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
引言  10-11
1 绪论  11-19
  1.1 背景简介  11-12
  1.2 表面的吸附：硅基表面对有机气体分子的吸附  12-15
  1.3 孔道结构内的吸附：MOFs 材料对 CO_2分子的捕获  15-19
2 计算方法简介  19-30
  2.1 背景简介  19
  2.2 密度泛函理论简介  19-26
    2.2.1 理论背景：从波函数到电子密度  19-20
    2.2.2 Kohn-Hohenberg 原理  20-23
    2.2.3 Kohn-Sham 方程  23-24
    2.2.4 交换关联泛函  24
    2.2.5 赝势（Pseudopotenials）  24-26
  2.3 寻找过渡态：cNEB（Climbing Nudged Elastic Band）方法  26-28
  2.4 DFT-D 方法  28-30
3 PCE 在 Si（100）的脱氯反应机理研究  30-42
  3.1 背景简介  30-31
  3.2 模型与计算  31-32
  3.3 结果与讨论  32-41
    3.3.1 PCE 在 Si（100）上的脱附产物构型  32-34
    3.3.2 常温下的双氯脱附过程  34-37
    3.3.3 高温下的四氯脱附过程  37-39
    3.3.4 XPS 能谱和 EELS 振动频率分析  39-41
  3.4 本章小结  41-42
4 金属盐及活性基团螯合的 MOF-253 对 CO_2分子的吸附  42-56
  4.1 背景简介  42-44
  4.2 模型与计算  44-45
  4.3 结果与讨论  45-54
    4.3.1 MOF-253 对 CO_2分子的吸附性能  45-48
    4.3.2 NiCl_2/Cu(BF_4)_2螯合的MOF-253 对 CO_2分子的吸附性能  48-52
    4.3.3 Ni@MOF-253 对 CO_2分子的催化吸附  52-53
    4.3.4 Bader 电荷以及电子密度差分的计算  53-54
  4.4 本章小结  54-56
5 结论  56-57
参考文献  57-64
在学研究成果  64-65
致谢  65

固体材料对气体分子吸附机理的第一性原理研究

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