CeO2(100)极性面结构与活性的密度泛函理论研究

钟素红 卢冠忠 龚学庆

引用本文: 钟素红,  卢冠忠,  龚学庆. CeO2(100)极性面结构与活性的密度泛函理论研究[J]. 催化学报, 2017, 38(7): 1138-1147. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62843-2 shu
Citation:  SuHong Zhong,  Guanzhong Lu,  XueQing Gong. A DFT+U study of the structures and reactivities of polar CeO2(100) surfaces[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2017, 38(7): 1138-1147. doi: 10.1016/S1872-2067(17)62843-2 shu

CeO2(100)极性面结构与活性的密度泛函理论研究

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21421004,21573067).

摘要: CeO2是一类使用非常广泛的稀土氧化物催化材料,在许多重要的催化反应过程,如机动车尾气净化、水汽转换、石油裂解等,表现出很高的活性.大量研究表明,CeO2的高活性来源于其表面晶格氧,正是由于这些晶格氧能够直接参与氧化反应,同时反应留下的氧空位又能够被气相氧分子吸附填补,因而体现出很好的储放氧催化性能.目前多数研究采用CO氧化为模型反应,研究了CeO2常见的(111)和(110)晶面的晶格氧活性,但对于其另外一种重要低指数晶面(100)的结构和活性研究却非常有限.需要指出的是,CeO2(100)是一种极性表面,这给该表面的模型构建和理论研究带来了困难.为了深入了解这种极性表面的结构稳定性和催化活性,本文运用在位库仑力校正的密度泛函理论(DFT+U)方法系统研究了CeO2(100)极性面的可能结构及相关稳定性,并且深入分析了CO在该表面上的吸附和反应.
本文首先利用板层模型尝试构建稳定的CeO2(100)极性面结构,方法是在保证整个板层化学计量配比完整的前提下,在表层或体相去除氧原子,同时使得整个板层上下对称不存在极性以利于计算.通过计算发现,在CeO2(100)表层分布氧空位的结构比体相中分布氧空位的结构要稳定,同时,氧空位的分布越接近表面,CeO2(100)面的结构稳定性就会越高,其最稳定的结构是将表层满覆盖氧离子移除一半.
对CeO2(100)面不同结构的稳定性及相关电子结构分析表明,CeO2(100)表层满覆盖的氧离子间存在很强的相互排斥作用,因此倾向于降低表面氧浓度来提高表面的稳定性.另外,这种相互作用会降低相邻氧离子的价态,并能引起体相铈离子在整体表面维持完整的化学计量比的情况下,仍能出现局域4ƒ电子而被还原为三价铈.
随后我们研究了CO在CeO2(100)最稳定和次稳定表面上的氧化反应.发现CO在不同CeO2(100)表面的氧空位处吸附较强,另外,CO在CeO2(100)最稳定结构上可与表面晶格氧反应形成吸附的CO2中间物种,中间物种可直接解离成气相CO2,也可以继续与表面晶格氧反应形成碳酸盐.而在CeO2(100)次稳定表面上,CO很难与表面晶格氧形成吸附的CO2中间态,而直接产生气态CO2.

English

    1. [1] K. Otswka, Y. Wang, E. Sunada, I. Yamanaka, J. Catal., 1998, 175, 152-160.

    2. [2] S. Hilaire, X. Wang, T. Luo, R. Gorte, J. Wagner, Appl. Catal. A, 2001, 25, 271-278.

    3. [3] Q. Fu, H. Soltsburg, M. Flytzani-Stephanopoulos, Science, 2003, 301, 935-938.

    4. [4] I. I. Soykal, H. Sohn, U. S. Ozkan, ACS Catal., 2012, 2, 2335-2348.

    5. [5] Z. Cheng, B. J. Sherman, C. S. Lo, J. Chem. Phys., 2013, 138, 014702/1-014702/12.

    6. [6] G. Dutta, A. Gupta, U. Waghmare, M. S. Hedge, J. Chem. Sci., 2011, 123, 509-516.

    7. [7] H. Y. Kim, G. Henkelman, J. Phys. Chem. Lett., 2012, 3, 2194-2199.

    8. [8] G. E. Murgida, V. Ferrai, M. Veronica. Ganduglia-Pirovano, A. M. Llois, Phys. Rev. B, 2014, 90, 115120/1-115120/12.

    9. [9] F. Esch, S. Fabris, L. Zhou, T. Montini, C. Africh, P. Fornasiero, G. Comelli, R. Rosei, Science, 2005, 309, 752-755.

    10. [10] S. Torbrugge, M. Reichling, A. Ishiyama, S. Morita, O. Custance, Phys. Rev. Lett., 2007, 99, 056101/1-056101/4.

    11. [11] D. C. Grinter, R. Ithnin, C. L. Pang, G. Thorton, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 17036-17041.

    12. [12] J. F. Jerratsch, X. Shao, N. Nilius, H. J. Freund, C. Popa, M. V. Ganduglia-Pirovano, A. M. Burow, J. Sauer, Phys. Rev. Lett., 2011, 106, 246801/1-246801/4.

    13. [13] H. Wilkens, O. Schuckmann, R. Oellke, S. Gevers, A. Schaefer, M. Baumer, M. H. Zoellner, T. Schroeder, J. Wollschlager, Appl. Phys. Lett., 2013, 102, 111602/1-111602/3.

    14. [14] T. Duchon, F. Dvorak, M. Aulicka, V. Stetsovych, M. Vorokhta, D. Mazur, K. Veltruska, T. Skala, J. Myslivecek, I. Matolınova, V. Matolın, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 357-365.

    15. [15] M. V. Ganduglia-Pirovano, A. Hofmann, J. Sauer, Surf. Sci. Rep., 2007, 62, 219-270.

    16. [16] J. Paier, C. Penschke, J. Sauer, Chem. Rev., 2013, 113, 3949-3985.

    17. [17] C. J. Zhang, A. Michaelides, D. A. King, S. J. Jenkins, Phys. Rev. B, 2009, 79, 075433/1-075433/11.

    18. [18] A. P. Amrute, C. Mondelli, M. Moser, G. Novell-Leruth, N. Lopez, D. Rosenthal, R. Farra, M. E. Schuster, D. Teschner, T. Schmidt, J. Pe-rez-Ramirez, J. Catal., 2012, 286, 287-297.

    19. [19] G. E. Murgida, M. V. Ganduglia-Pirovano, Phys. Rev. Lett., 2013, 110, 246101/1-246101/5.

    20. [20] M. Nolan, S. C. Parker, G. W. Watson, Surf. Sci., 2005, 595, 223-232.

    21. [21] M. Nolan, G. W. Watson, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 16600-16606.

    22. [22] M. Nolan, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 2425-2432.

    23. [23] L. Cheng, D. H. Mei, Q. F. Ge, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 18296-18303.

    24. [24] B. T. Teng, S. Y. Jia, X. W. Guo, J. H. Yuan, M. F. Luo, Acta Chim. Sin., 2009, 25, 2765-2772.

    25. [25] P. W. Tasker, J. Phys. C-Solid State Phys., 1979, 12, 4977-4984.

    26. [26] J. Soria, A. Martinez-Arias, J. C. Conesa, J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1995, 91, 1669-1678.

    27. [27] K. B. Zhou, X. Wang, X. M. Sun, Q. Peng, Y. D. Li, J. Catal., 2005, 229, 206-212.

    28. [28] E. Aneggi, J. Llorca, M. Boaro, A. Trovarelli, J. Catal., 2005, 234, 88-95.

    29. [29] H. Y. Kim, H. M. Lee, G. Henkelman, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 1560-1570.

    30. [30] H. F. Wang, X. Q. Gong, Y. L. Guo, Y. Guo, G. Z. Lu, P. Hu, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 10229-10232.

    31. [31] Z. Yang, T. K. Woo, K. Hermansson, J. Chem. Phys., 2006, 124, 224704/1-224704/7.

    32. [32] W. Song, E. J. M. Hensen, ACS Catal., 2014, 4, 1885-1892.

    33. [33] S. M. Kozlov, K. M. Neyman, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 7823-7829.

    34. [34] W. L. Cen, Y. Liu, Z. B. Wu, H. Q. Wang, X. L. Weng, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 5769-5777.

    35. [35] N. J. Casteuani, M. M. Branda, N. C. Hernandez, J. F. Sanz, F. Illas, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 4948-4954.

    36. [36] M. M. Branda, R. M. Ferullo, M. Causa, F. Illas, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 3761-3721.

    37. [37] J. Zhang, X. Q. Gong, G. Z. Lu, J. Catal., 2014, 35, 1305-1317.

    38. [38] G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B, 1993, 48, 13115-13118.

    39. [39] G. Kresse, J. Furthmuller, Comp. Mater. Sci., 1996, 6, 15-50.

    40. [40] G. Kresse, D. Joubert, Phys. Rev. B, 1999, 59, 1758-1775.

    41. [41] M. Gajdos, K. Hummer, G. Kresse, J. Furthmuller, F. Bechstedt, Phys. Rev. B, 2006, 73, 045112/1-045112/9.

    42. [42] D. O. Scanlon, N. M. Galea, B. J. Morgan, G. W. Watson, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 11095-11103.

    43. [43] M. Huang, S. Fabris, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 8643-8648.

    44. [44] C. Loschen, J. Carrasco, K. M. Neyman, F. Illas, Phys. Rev. B, 2007, 75, 035115/1-035115/8.

    45. [45] H. J. Monkhorst, J. D. Pack, Phys. Rev. B, 1976, 13, 5188-5192.

    46. [46] M. Baudin, M. Wojcik, K. Hermansson, Surf. Sci., 2000, 468, 51-61.

    47. [47] Y. Pan, N. Nilius, C. Stiehler, H. J. Freund, J. Goniakowski, C. Nogue-ra, Adv. Mater. Interfaces, 2014, 1, 1400404/1-1400404/6.

    48. [48] M. Capdevila-Cortada, N. Lopez, Nat. Mater., 2017, 16, 328-334.

    49. [49] Z. L. Wu, M. J. Li, S. H. Overbury, J. Catal., 2012, 285, 61-73.

    50. [50] F. Chen, D. Liu, J. Zhang, P. Hu, X. Q. Gong, G. Z. Lu, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 16573-16580.

    51. [51] Y. L. Song, L. L. Yin, J. Zhang, P. Hu, X. Q. Gong, G. Z. Lu, Surf. Sci., 2013, 618, 140-147.

    52. [52] J. Zhang, X. Q. Gong, G. Z. Lu, Surf. Sci., 2015, 632, 164-173.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  1222
  • HTML全文浏览量:  97
文章相关
  • 收稿日期:  2017-02-28
  • 修回日期:  2017-04-17
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章