氢分子在Mg(0001)表面的吸附与解离性能研究

采用基于密度泛函理论的第一原理计算方法,研究了氢分子(H2)在清洁、空位缺陷及Pd原子吸附的Mg(0001)表面的吸附与解离性能.结果显示:H2在清洁Mg(0001)表面呈较弱的物理吸附,H2解离需克服较高的能垒(1.3774 eV);空位缺陷的存在增强了Mg表面对H2的物理吸附能力,且使H2的解离能垒(1.2221 eV)有所降低;而清洁表面吸附的Pd原子则会与H2产生强烈的化学吸附作用,极大地降低了H2的解离能垒(0.2860 eV).电子结构分析发现:3种表面对H2吸附与解离的催化活性与Mg(0001)表面最上层与H2直接产生吸附作用的金属原子在费米能级(EF)附近s轨道的成键电子数密切相关.     

CO2 在 δ-Pu(100)表面吸附行为的第一性原理研究

结合密度泛函理论框架内的周期性平板模型,运用第一性原理计算方法研究了CO₂在δ-Pu(100)表面的吸附行为。结果表明,CO₂分子以C端向下和C-Pu、O-Pu多键结合的方式吸附在δ-Pu(100)表面。吸附类型属于强化学吸附,最稳定的吸附构型是H₁-C₄O₄,此时吸附能为-6.430 eV,吸附稳定性顺序为穴位>桥位>顶位。CO₂分子主要和表面Pu原子反应,而与其它3层Pu原子的反应较弱。更多的电子向CO₂ 2π_u轨道转移有利于C-O键的弯曲和活化。此外,CO₂分子和Pu原子之间的化学键主要是离子态,反应机理是CO₂的C 2s、C 2p、O 2s 和O 2p轨道与Pu 6p、Pu 6d、Pu 5f轨道发生了重叠杂化作用,产生了新的键结构。H₁-C₄O₄构型的功函数变化最小,表明其它电子容易从该构型表面逃逸,且需要的能量最小。     

CO和CO2 在UO2 (111)表面吸附和解离的第一性原理和分子动力学研究

基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算,在计算中加入Hubbard项进行校正,探究了CO和CO₂分子在UO₂ (111)表面的吸附和解离,分析了不同构型下的静态和动态吸附机理,吸附位点包括顶位、空位、桥位。在静态计算中,探究了吸附过程中多种吸附参数的变化,如吸附构型、吸附能、电荷转移等。利用第一性原理分子动力学（AIMD）,探究了特定构型下CO₂分子的解离过程及差分电荷密度变化。结果表明,CO分子的吸附可分为2种类型：（1）自发吸附,包括化学和物理吸附;（2）非自发吸附。CO₂分子的吸附仅表现为自发吸附的化学吸附及非自发吸附,无物理吸附。CO和CO₂分子的最优吸附构型均为短桥位垂直（B-short-Ver）吸附。此外,0 K下CO₂分子在UO₂ (111)表面的B-short-Ver和长桥位垂直吸附构型吸附后会自发解离。AIMD模拟结果表明,这2种构型在300 K下均发生解离。     

氧气在铀钼体系表面吸附和解离行为的第一性原理研究

基于第一性原理探究了氧气分子在铀钼表面的吸附解离行为。在五层γ-U(100)表面构型的基础上,用单个钼原子置换表层的1个高对称点的铀原子,并用4个钼原子置换表层铀原子后,分别建立了γ-U(100)/Mo和γ-U(100)/4Mo模型,计算得到了不同吸附构型下的结构参数、吸附能、Bader电荷、电子结构和表面功函数。结果表明,氧分子在γ-U(100)/Mo和γ-U(100)/4Mo表面为化学吸附,且最稳定的吸附位点为空位平行吸附,吸附能分别为-12.552和-8.661 eV。氧分子在铀钼表面的吸附分为解离吸附和未解离吸附,两者共同组成稳定的吸附行为,同时,解离吸附比未解离吸附更为稳定。Bader电荷结果表明,氧气在吸附过程中,主要与吸附表面最上两层的原子发生电荷转移。电子结构研究表明,O 2s和U 6p轨道发生轻微杂化,O 2p与U 6d、Mo 5s、Mo 4p、Mo 4d轨道发生较强的重叠杂化。本研究为氧分子在铀钼合金表面的吸附提供了机理阐述,并进一步为氧气在铀钼合金表面的腐蚀机理研究提供理论基础。     

H2O分子在α-U(001)表面的吸附和解离

采用广义梯度密度泛函理论研究了H2O分子在α-U(001)表面上的吸附、扩散和解离。结果表明,H2O分子在α-U(001)表面的最稳定构型为平行于表面的顶位吸附结构,吸附能为0.58 eV。吸附作用主要源于H2O分子1b1轨道与表面U原子6d轨道的空间交叠,同时伴有弱的H2O 3a1-U 6d轨道交叠。近邻顶位间H2O分子的扩散能垒为0.20～0.23 eV,预示H2O分子易于在α-U(001)表面发生扩散迁移。OH+H解离吸附较分子吸附在能量上高1.24～1.39 eV,解离能垒为0.56～0.62 eV,预示一定热激活条件下,吸附H2O分子趋向解离形成OH基团和H原子。     

铂铱合金与316L不锈钢微激光点焊气孔形成机理

采用第一性原理方法研究了H2分子在Li2NH (110) 晶面的表面吸附。通过研究Li2NH (110)/H2体系的吸附位置、吸附能和电子结构,发现H2分子吸附在Li长桥位时会发生解离,并在Li2NH (110) 面形成NH2基,其吸附能为1.178 eV,属于强化学吸附,吸附最稳定。此时,NH2基中的H原子与Li2NH表面的相互作用主要源于H 1s轨道与Li2NH表层N原子的2s,2p轨道重叠杂化的贡献,且N–H键为共价键;另一个H原子与Li2NH表面的相互作用主要是与Li之间的离子键作用;H2分子的解离能垒为1.31 eV,表明在一定热激活条件下H2分子在Li2NH (110)表面发生解离吸附。N顶位吸附时,优化结束后形成NH3,但该吸附方式不稳定,可见Li2NH (110)面与H2反应不易直接生成NH3。     

H2分子在Li2NH（110）表面吸附的第一性原理研究

采用第一性原理方法研究了H2分子在Li2NH(110)晶面的表面吸附。通过研究Li2NH(110)/H2体系的吸附位置、吸附能和电子结构,发现H2分子吸附在Li长桥位时会发生解离,并在Li2NH(110)面形成NH2基,其吸附能为1.178 eV,属于强化学吸附,吸附最稳定。此时,NH2基中的H原子与Li2NH表面的相互作用主要源于H 1s轨道与Li2NH表层N原子的2s,2p轨道重叠杂化的贡献,且N–H键为共价键;另一个H原子与Li2NH表面的相互作用主要是与Li之间的离子键作用;H2分子的解离能垒为1.31 eV,表明在一定热激活条件下H2分子在Li2NH(110)表面发生解离吸附。N顶位吸附时,优化结束后形成NH3,但该吸附方式不稳定,可见Li2NH(110)面与H2反应不易直接生成NH3。     

氟和氯在Mg(0001)表面吸附的密度泛函理论研究(英文)

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理研究低覆盖度F和C1原子在Mg(0001)表面的吸附特性,分析F和C1原子吸附在(2×2)Mg(0001)表面不同吸附位置的稳定性,讨论F和C1原子在Mg(0001)表面的吸附。计算结果表明,在低覆盖度下,洞位是最稳定吸附位;电荷布居和态密度表明,电子从Mg原子转移至吸附原子F和C1,从而形成吸附键,使Mg原子和吸附原子之间的相互作用增强,C1和Mg原子之间的相互作用弱于F和Mg原子之间的相互作用。     

球磨条件下Fe合金化改善MgH2体系性能的机理

基于密度泛函理论的第一原理方法,通过计算清洁、空位缺陷Mg(0001)表面吸附氢分子(H2)前后以及Fe合金化镁氢化合物(MgH2)体系的能量与电子结构,对球磨条件下Fe合金化改善MgH2体系性能的原因进行初步探讨。结果表明:与清洁Mg表面相比,由于球磨改变了Mg颗粒的表面结构,使Mg表面产生较多缺陷,而缺陷的存在增强了H2的物理吸附能力,并且Mg表面向H2转移的电荷数增多,因而体系球磨后具有较好的吸氢性能;而在Fe合金化MgH2体系中,Fe固溶于MgH2中形成(MgFe)H2固溶体和合金化形成少量Mg2FeH6相,MgH2系结构稳定性均降低,对应体系解氢性能增强。分析电子结构发现:空位缺陷有助H2吸附于Mg表面,与Mg(0001)表面最上层与H2直接产生吸附作用的金属原子在费米能级(EF)附近s轨道的成键电子数密切相关;在Fe合金化MgH2体系中,与合金化元素Fe近邻的H原子形成空位的难度增加,H原子较难释放;与Mg近邻的H原子形成空位的难度减少,H原子容易释放;Fe合金化导致Mg-H之间存在较弱的成键作用,因此,MgH2体系的解氢性能得到提高。     

H2在Mo(001)表面吸附的第一原理研究

采用第一原理的密度泛函理论(DFT)计算了H2分子在Mo(001)表面的吸附,得到了吸附构型的各种参数,并且计算了H2分子在Mo(001)表面3个位置(顶位,桥位,穴位)吸附后的能量,结果表明在穴位吸附能最高。分析了H原子与Mo原子最临近距离dH-Mo与H2分子的键长在吸附前后的变化;通过对H2分子及在Mo(001)表面吸附的态密度图的分析,最后得出吸附主要原因是由于H2分子的1s轨道与Mo的4d轨道发生相互作用。     

氧分子在黄铁矿和方铅矿表面的吸附

采用密度泛函理论对氧分子在黄铁矿和方铅矿表面的吸附进行研究。计算结果表明:黄铁矿和方铅矿表面经历了较小的弛豫;氧分子在黄铁矿和方铅矿表面都呈解离吸附状态,且在黄铁矿表面的吸附能远低于在方铅矿表面的吸附能;在黄铁矿表面上,氧原子分别与铁原子和硫原子键合,电子由铁原子和硫原子转移到氧原子上,主要由硫的3p态、氧的2p态和铁的3d态参与反应,铁与氧之间形成d→p反馈键,而在方铅矿表面上,氧原子只与硫原子键合,主要由硫的3p态、氧的2p态和铅的6p态参与反应,未形成反馈键;氧吸附后黄铁矿表面产生键合的铁原子和氧原子都产生自旋现象,而方铅矿表面原子及吸附的氧原子仍然是低自旋态的。     

第一性原理研究合金元素对3C-SiC/Mg界面的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究掺杂单个Al、Zn、Cu、Ni、Li、Zr原子对3C-SiC/Mg体系界面结合的影响,选取代表性的Zn原子和Zr原子进行Mulliken电荷、重叠布居数和态密度计算分析。结果表明,3C-SiC/Mg界面模型最稳定的堆垛结构是将5层的Mg（0001）堆垛在10层的 3C-SiC（111）面上,C封端的中心型模型在6种3C-SiC/Mg模型结构中分离功最大,界面间距最小,界面的润湿性最好;掺杂Zn原子后,3C-SiC/Mg-Zn体系的分离功减小,掺杂的Zn原子与Mg原子成反键,态密度中赝能隙变小使得3C-SiC/Mg-Zn体系的共价键性减弱,不利于3C-SiC/Mg-Zn界面结合; 掺杂Al、Cu、Ni、Li、Zr原子后,体系的分离功增大,Zr原子对界面润湿性的改善效果最好。掺杂Zr原子后,界面层Mg原子与Si原子的反键消失,与C原子在界面处形成Zr-C强共价键,态密度离域性增强,成键能力增强,导致3C-SiC/Mg-Zr体系的分离功增大最多。     

Mg_3N_2团簇吸附H的密度泛函理论研究

运用密度泛函理论(DFT)中的杂化密度泛函B3LYP方法在6-311G*基组水平上对Mg_3N_2H_m(m=1~4)和(Mg_3N_2)_nH_m(n=2~4,m=1~2)团簇的可能几何结构进行优化,预测了其最稳定结构,并对最稳定结构的电子结构,成键特性,电荷分布,振动特性及稳定性等进行分析。结果表明:当团簇吸附H原子少于N原子数目时,一般形成-NH基;随着团簇吸附H原子数目的增加,当所有N原子吸H形成-NH基后,才有-NH基吸附H原子形成-NH_2基;但并不是所有-NH基全部形成-NH_2基的饱和结构,此时部分H原子会吸附于Mg原子上形成MgH结构。H原子易吸附于凸出的、包含孤对电子的N原子上;由于孤对电子间的排斥作用,H原子的吸附位置呈相互远离趋势。团簇中N-H之间是共价键作用,而Mg-H间是离子键作用,-NH和-NH_2基在团簇中保持完整性,团簇可以很好地描述晶体的储氢行为。     

Adsorption of fluorine and chlorine on Mg (0001) surface: A density functional theory investigation

The adsorption of low-coverage of F and Cl adatoms on the Mg (0001) surface was investigated using first-principles calculations based on the density functional theory (DFT). The stability of the (2 × 2) structures formed by halogen atoms adsorbed at different sites was determined. The difference between the adsorption of F and Cl on Mg (0001) surface was also discussed. The calculation results show that hollow sites are the energetically most favorable at the low-coverage. It can be concluded from the Mulliken charges and density of states that electrons transfer from the substrate Mg atoms to the adatoms, which leads to the formation of adsorbate bond and further causes the stronger interaction between Mg atom and adatom. The interaction between Cl and Mg atoms is weaker than the interaction between F and Mg.     

Oxidation of Cr2AlC (0001): Insights from Ab Initio Calculations

We performed an investigation of the initial stage of oxidation onto a relevant Cr₂AlC (0001) surface by ab initio calculations. For the most energetically stable Al-terminated Cr₂AlC (0001) surface, a detailed model describing the oxygen-surface interaction is developed by exploring the adsorption energetics. Based on the evaluation of the energetics and the structural properties of the atomistic models generated, the results point to an initial stage of the Cr₂AlC (0001) surface oxidation with some similarities with those observed in the Al (111) layer. Our findings on the bonding mechanism of single O adsorption atoms of the surface may lead to further alloying strategies to enhance oxidation resistance in a wide range of refractory-metal-based MAX phases.     

The adsorption of thiourea on mild steel

The adsorption behaviour of thiourea on mild steel was investigated in 1 N H₂SO₄ over the temperature range 20–50°C in the region of high coverage. The process was treated as a substitutional adsorption process. Particular attention was paid to the effect of the lateral interaction and the size ratio (which is the number of water molecules displaced by each adsorbing thiourea molecule). The degree of surface coverage was found to increase with temperature and concentration. It was shown that, at 20°C, the adsorption behaviour follows a Frumkin-type isotherm with strong lateral repulsion, where the molecules are vertically adsorbed on the surface. At 30–50°C the adsorbed molecules change their orientation to be parallel to the surface, where the adsorption behaviour follows a Flory-Huggins isotherm with negligible lateral interaction. The size ratio calculated from experimental results agrees well with that calculated from molecular models. The free energy, enthalpy and entropy of adsorption were calculated. The effect of temperature on the degree of surface coverage was attributed to an entropy, rather than an enthalpy, effect.     

Preparation of one-dimensional polymer films by modification of a hydroxymethylbenzene self-assembled monolayer on iron with alkyltriethoxysilanes for preventing iron corrosion

A self-assembled monolayer (SAM) of p-hydroxymethylbenzene HOCH₂C₆H₄ - (HOMB) moiety adsorbed on iron by the formation of a covalent bond between carbon and iron atoms was prepared by electrochemical derivatization of an iron electrode with p-hydroxymethylbenzenediazonium tetrafluoroborate HOCH₂C₆H₄N₂BF₄. The electrode covered with the HOMB SAM was modified with alkyltriethoxysilanes C_nH_2n+1Si(OC₂H₅)₃ (C_nTES, n = 8 or 18) to prepare a film of one-dimensional polymer. The protective ability of the polymer film was determined by polarization measurement of the covered electrode in an aerated 0.5 M NaCl solution. The ability was enhanced by modification of the HOMB SAM with C_nTES markedly. The iron surface coated with the one-dimensional polymer film of the HOMB SAM modified with C₈TES was characterized by contact angle measurement and FTIR reflection and X-ray photoelectron spectroscopies. The persistence in the protective ability of the polymer film against iron corrosion in 0.5 M NaCl may be associated with the strong adsorption via the covalent bond, revealed by electron-probe microanalysis.