金元素单原子的催化活性及其合金熔点本质的第一性原理探究

【摘要】研究材料的性能关键在于研究材料的结构,因为结构决定性能。如今要得到优越性能的新结构材料,已经不能依赖来自于大自然的直接发现,而是需要我们对材料结构的设计和理解。在本论文中,我们为了研究Au元素活性的本质,分别探究了Al2Au和Al2Cu之间熔点差异产生的根源以及Au单原子的催化活性。前者通过第一性原理计算的方法对Al2Au和Al2Cu两个系统的晶体相和液体相进行了包括几何结构、电子结构、结合能、液体结构分析等方面的研究,并且讨论了自旋轨道耦合效应在其中的作用。后者通过分析Au单原子和氮化硼复合结构对CO氧化反应势垒的影响。第一章主要介绍了基于密度泛函理论的第一性原理计算方法的背景知识。内容包括对电子交换关联项的不同处理,如局域密度近似(LDA)、广义梯度近似(GGA)、杂化泛函等,另外还有原子势函数、分子动力学的介绍,以及一些常用第一性原理模拟计算软件的介绍。第二章我们研究了自旋轨道耦合效应Al2Au和Al2Cu晶体结构和结合能的影响。通过考虑自旋轨道耦合效应对贵金属Au元素的影响,在两个合金成分的晶体相中分别计算了结合能,发现自旋轨道耦合效应对Al2Au结合能有着明显影响。为了理解其机理,我们分析了其d轨道偏态密度和电荷密度,发现自旋轨道耦合效应引起Au元素5d轨道的劈裂,打开了一个能隙。揭示了自旋轨道耦合效应正是熔点差异的主要原因之一。第三章我们研究了Al2Au和Al2Cu之间液体结构的差异。我们对两种合金成分的液体相进行第一性原理分子动力学模拟并对结果应用对关联函数、HA指数、Voronoi指数、键角分布等统计方法进行分析。结果发现Al2Au和Al2Cu之间的液体结构确实存在差异,这是熔点差异的原因之一。然而液体结构中原子的随机分布极大的削弱了自旋轨道耦合效应对液体几何结构的影响。第四章我们研究了在氮化硼单原子层结构(h-BN)上引入氮原子缺陷及硼原子缺陷同金元素单原子的复合结构对CO氧化反应催化活性的影响。通过对Au原子复合结构的电子结构研究发现硼原子缺陷会引起催化剂中毒现象,而氮原子缺陷极大的增强了金属原子簇的吸附和02在体系上的吸附。并且降低了CO氧化反应的势垒,使之成为有效可行的新型催化剂。在第五章中,我们总结了本论文的主要工作结论并对今后的研究工作做出了展望。
【作者】王垚；
【导师】蒋建中；
【作者基本信息】浙江大学，材料工程，2014，硕士
【关键词】密度泛函理论；电子结构；结合能；自旋轨道耦合；催化活性；

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