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CO在高催化活性催化剂Cu-CeO_2（111）表面吸附与氧化的第一性原理研究

作　者: 赫丙玲
导　师: 杨宗献
学　校: 河南师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: CO 吸附氧化 Cu-CeO2（111） DFT+U
分类号: O469
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

Cu-CeO₂材料能作为一系列重要反应（如:水煤气转化,低温氧化 CO,除SOx等）的催化剂,同时Cu/CeO₂-YSZ作为固体氧化物燃料电池的阳极材料还具有很好的抗碳沉积作用。但是相关理论研究还比较滞后,对Cu吸附CeO₂及Cu掺杂的CeO₂体系特性及催化机理的理论研究相对较少,为了更深入地了解Cu-CeO₂体系的稳定性和催化活性,我们对Cu在理想纯净的CeO₂表面吸附及表面掺杂体系进行了系统的研究。本文采用基于广义梯度近似的投影缀加平面波（projector augmented wave）赝势和具有三维周期性边界条件的超晶胞模型,用第一性原理方法,系统地研究了Cu在CeO₂（111）表面吸附体系和Cu掺杂CeO₂体系[Cu替换CeO₂（111）表面一个Ce原子的体系,即Cu_0.08Ce_0.92O2（111）]的原子结构、电子结构和化学活性。并进一步研究了CO在Cu_0.08Ce_0.92O2（111）表面的吸附与氧化。研究发现,Cu原子在理想纯净的CeO₂（111）吸附时,显示Cu（+I）,且由于Cu的吸附抑制了氧空位的形成;对于Cu在CeO₂（111）表面掺杂的体系,结构优化后Cu原子处于由一个表层氧,两个次层氧和一个第三层氧组成的平面上,形成了局域的CuO相,且显示Cu（+II）。Cu的掺杂大大促进了表面氧空位的形成,提高了CeO₂的催化活性。CO在Cu_0.08Ce_0.92O2（111）表面除了存在弱的物理吸附和强的化学吸附（形成了CO₃结构）外,还能直接被氧化成CO2。以上研究结果有助于进一步了解Cu_xCe_1-xO₂体系的性质,及Cu/CeO₂作为固体氧化物燃料电池的阳极材料抗C沉积原理的解释。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章绪论  8-14
  1.1 Cu-Ce0_2 材料的研究动机  8-10
    1.1.1 Cu-Ce0_2 的抗碳沉积作用  9-10
    1.1.2 Cu-Ce0_2 的催化作用  10
  1.2 Cu-Ce0_2 体系的实验和理论研究现状  10-12
  1.3 研究方法和研究内容  12-14
第二章理论基础和第一性原理计算方法  14-28
  2.1 绝热近似和单电子近似  14-16
  2.2 密度泛函理论  16-19
    2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理  16-17
    2.2.2 Kohn-Sham 方程  17-18
    2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似  18-19
  2.3 布洛赫定理和周期性超原胞  19-21
    2.3.1 布洛赫定理  19-20
    2.3.2 平面波基矢  20
    2.3.3 周期性超原胞  20-21
  2.4 赝势方法(pseudopotential method)  21-25
    2.4.1 模型赝势和模守恒赝势  22-24
    2.4.2 超软赝势(US-PP)  24
    2.4.3 PAW 势  24-25
  2.5 DFT+U 方法  25-27
    2.5.1 LDA+U 方法  25-26
    2.5.2 GGA+U 方法  26-27
  2.6 VASP 程序包  27-28
第三章 CO 在具有高催化活性的Cu-Ce0_2(111)表面的吸附与氧化  28-48
  3.1 计算方法  28-31
  3.2 计算模型  31-35
  3.3 计算公式  35-36
  3.4 结果与讨论  36-44
    3.4.1 还原及未还原的Cu/Ce0_2 体系  36-37
    3.4.2 Cu 掺杂体系Cu_(0.08)Ce_(0.92)0_2  37-40
    3.4.3 CO 在Cu_(0.08)Ce_(0.92)0_2 表面的吸附与氧化  40-44
  3.5 参数U(Cu)的影响  44-46
  3.6 结论  46-48
第四章结论  48-50
参考文献  50-57
致谢  57-58
攻读硕士学位期间的科研成果  58-59

CO在高催化活性催化剂Cu-CeO_2（111）表面吸附与氧化的第一性原理研究

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