貴金屬基納米團(tuán)簇及表面界面結(jié)構(gòu)的第一性原理計(jì)算研究

1、貴金屬基納米團(tuán)簇及表面/界面結(jié)構(gòu)的第一性原理計(jì)算研究全球的化石燃料的需求量急劇增長,對(duì)于能源高效利用的渴求變得越來越急切,尋找合適的能源反應(yīng)的催化劑成為了迫切的需求。合金納米團(tuán)簇以及核殼結(jié)構(gòu)納米團(tuán)簇由于其集合了兩種及以上成分的優(yōu)點(diǎn),而且結(jié)構(gòu)更為的穩(wěn)定,獲得了更大的關(guān)注。不論是做為化學(xué)反應(yīng)催化劑還是其他結(jié)構(gòu)功能材料,納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗毒化性都是十分關(guān)鍵的因素。在具有較高催化活性的前提下,適應(yīng)化學(xué)反應(yīng)復(fù)雜的反應(yīng)環(huán)境并且防止多種中間產(chǎn)物的毒害影響,成為了實(shí)驗(yàn)探究和計(jì)算模擬的主要研究方向。傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)催化劑多采用多負(fù)載量的貴金屬催化劑,甚至是純貴金屬材料,具有高昂的制造成本,而新型的催化劑材料通過

2、非貴金屬與貴金屬的合金化來減低催化劑制造成本,同時(shí)提高催化劑的穩(wěn)定性和抗毒化性。氫氧燃料電池的陰極催化劑控制著反應(yīng)進(jìn)行的難易程度以及能量的利用率,目前商業(yè)化的,效率最高的催化材料是附著在無定形高比表面積的碳(C)上的Pt納米粒子。由于Pt含量的稀缺度以及昂貴的價(jià)格,能否在減低Pt含量的前提下提高催化活性,成為了燃料電池陰極催化劑的研究方向。過渡金屬以及主族金屬與Pt原子形成的核-殼結(jié)構(gòu),由于其獨(dú)特的穩(wěn)定性和高效的催化活性,成為了最有希望的Pt催化劑替代材料。實(shí)驗(yàn)和計(jì)算表明,W元素與Pt元素能夠形成穩(wěn)定的合金化合物。本文中我們研究了W13Pt42構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和催化活性，探究了它催化氧化還原反應(yīng)

3、的工作機(jī)理。優(yōu)良的磁性納米顆粒,在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)用。由于Fe、Co原子較大的磁矩，F(xiàn)eFeC或-殼結(jié)構(gòu)自然成為了利用這些特性磁性納米粒子被應(yīng)用于藥物載體、細(xì)胞分離純化、磁電轉(zhuǎn)染,惡性腫瘤的熱療等方面。然而,醫(yī)學(xué)應(yīng)用場景的富氧特性，使得外層Fe及Co原子易被氧化的特征會(huì)減低核殼結(jié)構(gòu)的磁性,這樣就限制了它的用途。既要保證納米顆粒的磁矩不被破壞,又要保證無毒無害性和生物相容性,成為了醫(yī)用磁性材料的基本要求。研究表明，在FeFeC核殼結(jié)構(gòu)外層包覆Au層，在穩(wěn)定核-殼結(jié)構(gòu)的同時(shí),能大大減低被氧化的可能性。另一方面,Au原子層包裹FeFeC核殼結(jié)構(gòu)，在保護(hù)FeFeC核殼結(jié)構(gòu)的磁矩，同時(shí)增強(qiáng)核

4、-殼結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性。本文通過FeFeCOFeFeCoAU顆粒與O2結(jié)合強(qiáng)度以及被氧化后的磁矩變化的對(duì)比，來證明Au層覆蓋FeFeC核殼結(jié)構(gòu)是理想的選擇。隨著汽車工業(yè)以及工業(yè)制造業(yè)的高速發(fā)展,汽車尾氣以及工業(yè)廢氣的處理成為了亟待解決的難題。以尾氣及廢氣的中的COfe例，處理CO勺最好方法為將COR化為無毒無害的CO”及其他無毒無害的有機(jī)物。在多數(shù)的催化劑中,貴金屬半導(dǎo)體(如AuZnO)核-殼結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了優(yōu)異的催化活性。ZnO籠狀結(jié)本包裹Au團(tuán)簇內(nèi)核的結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)一步激發(fā)ZnO結(jié)構(gòu)的催化能力，而內(nèi)核的Au原子團(tuán)簇又起到了很好的結(jié)構(gòu)支撐作用,保證了催化劑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在獲得穩(wěn)定的AuZn筷-殼結(jié)構(gòu)后，計(jì)算模擬并分析了其做為催化劑對(duì)CO氧化反應(yīng)的催化活性。通常來說，表面/界面結(jié)構(gòu)同樣可以做為良好的催化劑材料，做為對(duì)照，我們同樣計(jì)算了Au/ZnO界面結(jié)構(gòu)催化CO氧化反應(yīng)的反應(yīng)過程。由于ZnO材料特殊的能帶結(jié)構(gòu)，一直以來都是光催化領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，而籠狀ZnO包裹Au原子團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)同樣具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)，在計(jì)算了核-殼結(jié)構(gòu)和Au/ZnO界面結(jié)構(gòu)的催化活性后，進(jìn)一步的計(jì)算了它們的光學(xué)性質(zhì)。計(jì)算表明，AuZn俵殼結(jié)構(gòu)對(duì)可見光區(qū)有著強(qiáng)烈的吸收,這會(huì)大大拓展它在光催化反應(yīng)中的應(yīng)用。類似地，通過構(gòu)造Au/ZnO界