甲醛在金铈基催化剂上的催化氧化密度泛函理论研究

论文摘要

甲醛是目前最严重的室内污染源之一,如何有效地消除室内甲醛污染是重要的环保课题之一。二氧化铈负载活性金属的多相催化氧化技术是消除室内甲醛污染的重要方法,可以在一定的温度下将其氧化为二氧化碳和水。与大量的实验研究相比,甲醛在金铈基催化剂上氧化反应机理的理论研究相对较少。本文利用密度泛函理论方法,系统研究了甲醛在Au表面以及在Au/CeO2表面上吸附与反应行为,初步解释了Au团簇、Au周期阶梯催化剂与02、甲醛之间相互作用以及探索甲醛在Au/CeO2（111）催化剂上的吸附作用,为开发低温高效甲醛消除催化剂提供理论参考。本论文所研究的主要内容和得到的主要结果如下：利用密度泛函理论系统研究了O原子与O2在Au19与Au20团簇上的吸附反应行为。结果表明：O在Au19团簇顶端洞位上的吸附较Au20强；在侧桥位吸附强度相近。O与O2在带负电Au团簇上吸附较强,在正电团簇吸附较弱。O2与Au团簇作用时,金团簇失电子,O2的π*轨道得电子,使O-O键活化。采用密度泛函理论系统研究了甲醛分子在Au团簇上的吸附与解离反应行为。从吸附能看,甲醛在Au19+与Au20+团簇顶位吸附最强；在带负电的Au19-与Au20-团簇上顶位次之；而在中性团簇上吸附能较低。从吸附构型看,当团簇带正电时,甲醛吸附构型多以O为终端吸附在团簇上；当团簇带负电时,其构型多以氢作终端吸附在团簇上。从C-O键长看,当金团簇带正电时,C-O键长较长,带负电团簇次之；当中性金团簇吸附时,C-O键长最短,甲醛的活化程度较小。甲醛在中性Au19团簇解离活化能最低（0.97 eV）,带负电的Au19-团簇次之（1.05 eV）,当Au19带正电时,活化能最高（4.87 eV）。采用密度泛函理论系统计算了氧气及甲醛分子在Au（111）阶梯表面的吸附行为。结果表明：当02在Au（111）台阶表面吸附时,其在顶层表面吸附较第二层表面强,吸附能为-0.46 eV；当O2吸附在台阶边棱时,其在顶层边棱吸附亦强于第二层边棱。与之相似,甲醛在Au（111）顶层平面吸附最强,吸附能为-0.69 eV,而在第二层平面及侧面均较弱。过渡态计算结果表明,吸附在台阶顶层的O2解离能垒为0.50 eV,而吸附在顶层的CH20解离H原子解离活化能为1.27 eV。利用密度泛函理论初步探讨了甲醛在Au/CeO2表面的吸附与氧化反应行为。研究结果表明：Au原子在Ce02（111）表面的O顶位吸附最稳定,其次为洞位。甲醛在Au/CeO2表面吸附能为.1.81 eV,较其在未负载的Ce02（111）表面强。从吸附构型来看,甲醛中的碳原子为类sp3杂化,C与表面氧作用,甲醛的氧原子与吸附的Au形成Au-O键。甲醛氢原子解离后,分别形成表面OH。计算结果表明,甲醛在Au/CeO2（111）表面解离为热力学有利反应。DFT与DFT+U方法计算的Au在Ce02（111）表面、甲醛在Au/CeO2（111）表面的吸附能与吸附结构相近。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 空气中甲醛的性质与应用
• 1.1.1 甲醛的性质
• 1.1.2 甲醛的应用
• 1.1.3 甲醛对人体健康的危害
• 1.2 甲醛的来源及消除
• 1.2.1 甲醛的来源
• 1.2.2 室内空气中甲醛的治理技术
• 1.2.3 甲醛消除的实验进展
• 1.3 关于铈基催化剂对甲醛催化氧化的研究背景
• 2的结构、性质及应用'>1.3.1 CeO₂的结构、性质及应用
• 1.3.2 铈基催化剂对小分子催化氧化的理论研究
• 1.3.2.1 甲醛等小分子在非金铈基催化剂上的吸附与反应的理论研究
• 1.3.2.2 甲醛等小分子在金铈基催化剂上的吸附与反应的理论研究
• 1.4 Au催化剂
• 1.4.1 Au催化剂的主要应用领域
• 1.4.1.1 低温催化氧化CO
• 1.4.1.2 选择性氧化反应
• 1.4.1.3 选择性加氢反应
• 1.4.2 影响Au催化剂活性的主要因素
• 1.5 选题依据与研究内容
• 1.5.1 选题依据
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 密度泛函理论基础
• 2.1 概述
• 2.2 从头计算方法
• 2.2.1 从头计算方法的三个近似
• 2.2.1.1 非相对论近似
• 2.2.1.2 Born-oppenheimer近似
• 2.2.1.3 轨道近似
• 2.2.2 从头计算方法原理
• 2.2.3 从头计算方法的误差
• 2.3 密度泛函理论
• 2.3.1 从波函数到电子密度
• 2.3.2 Hohenberg-Kohn定理（多体理论）
• 2.3.3 Kohn-Sham方程
• 2.3.4 交换相关能分类简介
• 2.3.4.1 LDA泛函
• 2.3.4.2 GGA泛函
• 2.3.5 赝势方法
• 2.3.6 DFT+U
• 2.3.7 密度泛函理论的应用
• 2.3.7.1 体系总能量计算
• 2.3.7.2 平衡几何构型的计算
• 2.3.7.3 振动频率分析
• 2.3.7.4 Mulliken集居数分析
• 2.3.7.5 化学反应能量计算
• 2.4 过渡态计算
• 2.5 软件简介
• 2.5.1 Materials Studio
• 2.5.2 VASP
• 2在Au团簇上吸附的密度泛涵理论研究'>第三章 O与O₂在Au团簇上吸附的密度泛涵理论研究
• 3.1 前言
• 3.2 计算方法与模型
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 吸附结构和吸附能
• 3.3.2 电子结构分析
• 3.3.2.1 电荷分析
• 2在Au团簇上吸附结构的电子差分密度'>3.3.2.2 O₂在Au团簇上吸附结构的电子差分密度
• 2在Au团簇上解离反应'>3.3.3 O₂在Au团簇上解离反应
• 3.4 结论
• 第四章 甲醛在Au团簇上的吸附与反应的研究
• 4.1 计算方法及能量定义
• 4.1.1 计算方法
• 4.1.2 能量定义及计算公式
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 结构模型
• 4.2.2 甲醛在Au团簇上的吸附结构与吸附能
• 4.2.3 电子结构分析
• 4.2.3.1 电荷分析
• 4.2.3.2 甲醛分子在Au团簇上的解离反应
• 4.3 结论
• 2及CH₂O在Au（111）阶梯表面吸附反应的研究'>第五章 O₂及CH₂O在Au（111）阶梯表面吸附反应的研究
• 5.1 计算方法与结构模型
• 5.1.1 计算方法
• 5.1.2 结构模型
• 5.1.3 能量定义及计算公式
• 5.2 结果与讨论
• 2在Au（111）阶梯表面的吸附'>5.2.1 O₂在Au（111）阶梯表面的吸附
• 2O在Au（111）阶梯表面的吸附'>5.2.2 CH₂O在Au（111）阶梯表面的吸附
• 2、CH₂O在Au（111）阶梯表面的解离反应'>5.3 O₂、CH₂O在Au（111）阶梯表面的解离反应
• 5.4 电荷差分密度分析
• 5.5 结论
• 2（111）表面的吸附与氧化'>第六章 甲醛在Au/CeO₂（111）表面的吸附与氧化
• 6.1 计算方法与结构模型
• 6.1.1 计算方法
• 6.1.2 吸附位
• 6.2 结果与讨论
• 2（111）表面的吸附'>6.2.1 单独Au原子在CeO₂（111）表面的吸附
• 2O分子吸附在Au/CeO₂（111）表面'>6.2.2 CH₂O分子吸附在Au/CeO₂（111）表面
• 2（111）表面的CH₂O分子'>6.2.3 采用DFT方法解离在Au/CeO₂（111）表面的CH₂O分子
• 6.3 结论与后期展望
• 6.3.1 结论
• 6.3.2 后期展望
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢