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
CeO2(100)极性面结构与活性的密度泛函理论研究
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.
-
关键词:
- 二氧化铈(100)
- / 在位库伦校正的密度泛函理论
- / 极性表面
- / 一氧化碳氧化
- / 电子局域
English
A DFT+U study of the structures and reactivities of polar CeO2(100) surfaces
-
-
[1] K. Otswka, Y. Wang, E. Sunada, I. Yamanaka, J. Catal., 1998, 175, 152-160.
-
[2] S. Hilaire, X. Wang, T. Luo, R. Gorte, J. Wagner, Appl. Catal. A, 2001, 25, 271-278.
-
[3] Q. Fu, H. Soltsburg, M. Flytzani-Stephanopoulos, Science, 2003, 301, 935-938.
-
[4] I. I. Soykal, H. Sohn, U. S. Ozkan, ACS Catal., 2012, 2, 2335-2348.
-
[5] Z. Cheng, B. J. Sherman, C. S. Lo, J. Chem. Phys., 2013, 138, 014702/1-014702/12.
-
[6] G. Dutta, A. Gupta, U. Waghmare, M. S. Hedge, J. Chem. Sci., 2011, 123, 509-516.
-
[7] H. Y. Kim, G. Henkelman, J. Phys. Chem. Lett., 2012, 3, 2194-2199.
-
[8] G. E. Murgida, V. Ferrai, M. Veronica. Ganduglia-Pirovano, A. M. Llois, Phys. Rev. B, 2014, 90, 115120/1-115120/12.
-
[9] F. Esch, S. Fabris, L. Zhou, T. Montini, C. Africh, P. Fornasiero, G. Comelli, R. Rosei, Science, 2005, 309, 752-755.
-
[10] S. Torbrugge, M. Reichling, A. Ishiyama, S. Morita, O. Custance, Phys. Rev. Lett., 2007, 99, 056101/1-056101/4.
-
[11] D. C. Grinter, R. Ithnin, C. L. Pang, G. Thorton, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 17036-17041.
-
[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] 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] 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] M. V. Ganduglia-Pirovano, A. Hofmann, J. Sauer, Surf. Sci. Rep., 2007, 62, 219-270.
-
[16] J. Paier, C. Penschke, J. Sauer, Chem. Rev., 2013, 113, 3949-3985.
-
[17] C. J. Zhang, A. Michaelides, D. A. King, S. J. Jenkins, Phys. Rev. B, 2009, 79, 075433/1-075433/11.
-
[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] G. E. Murgida, M. V. Ganduglia-Pirovano, Phys. Rev. Lett., 2013, 110, 246101/1-246101/5.
-
[20] M. Nolan, S. C. Parker, G. W. Watson, Surf. Sci., 2005, 595, 223-232.
-
[21] M. Nolan, G. W. Watson, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 16600-16606.
-
[22] M. Nolan, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 2425-2432.
-
[23] L. Cheng, D. H. Mei, Q. F. Ge, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 18296-18303.
-
[24] B. T. Teng, S. Y. Jia, X. W. Guo, J. H. Yuan, M. F. Luo, Acta Chim. Sin., 2009, 25, 2765-2772.
-
[25] P. W. Tasker, J. Phys. C-Solid State Phys., 1979, 12, 4977-4984.
-
[26] J. Soria, A. Martinez-Arias, J. C. Conesa, J. Chem. Soc. Faraday Trans., 1995, 91, 1669-1678.
-
[27] K. B. Zhou, X. Wang, X. M. Sun, Q. Peng, Y. D. Li, J. Catal., 2005, 229, 206-212.
-
[28] E. Aneggi, J. Llorca, M. Boaro, A. Trovarelli, J. Catal., 2005, 234, 88-95.
-
[29] H. Y. Kim, H. M. Lee, G. Henkelman, J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 1560-1570.
-
[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] Z. Yang, T. K. Woo, K. Hermansson, J. Chem. Phys., 2006, 124, 224704/1-224704/7.
-
[32] W. Song, E. J. M. Hensen, ACS Catal., 2014, 4, 1885-1892.
-
[33] S. M. Kozlov, K. M. Neyman, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 7823-7829.
-
[34] W. L. Cen, Y. Liu, Z. B. Wu, H. Q. Wang, X. L. Weng, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 5769-5777.
-
[35] N. J. Casteuani, M. M. Branda, N. C. Hernandez, J. F. Sanz, F. Illas, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 4948-4954.
-
[36] M. M. Branda, R. M. Ferullo, M. Causa, F. Illas, J. Phys. Chem. C, 2011, 115, 3761-3721.
-
[37] J. Zhang, X. Q. Gong, G. Z. Lu, J. Catal., 2014, 35, 1305-1317.
-
[38] G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B, 1993, 48, 13115-13118.
-
[39] G. Kresse, J. Furthmuller, Comp. Mater. Sci., 1996, 6, 15-50.
-
[40] G. Kresse, D. Joubert, Phys. Rev. B, 1999, 59, 1758-1775.
-
[41] M. Gajdos, K. Hummer, G. Kresse, J. Furthmuller, F. Bechstedt, Phys. Rev. B, 2006, 73, 045112/1-045112/9.
-
[42] D. O. Scanlon, N. M. Galea, B. J. Morgan, G. W. Watson, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 11095-11103.
-
[43] M. Huang, S. Fabris, J. Phys. Chem. C, 2008, 112, 8643-8648.
-
[44] C. Loschen, J. Carrasco, K. M. Neyman, F. Illas, Phys. Rev. B, 2007, 75, 035115/1-035115/8.
-
[45] H. J. Monkhorst, J. D. Pack, Phys. Rev. B, 1976, 13, 5188-5192.
-
[46] M. Baudin, M. Wojcik, K. Hermansson, Surf. Sci., 2000, 468, 51-61.
-
[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] M. Capdevila-Cortada, N. Lopez, Nat. Mater., 2017, 16, 328-334.
-
[49] Z. L. Wu, M. J. Li, S. H. Overbury, J. Catal., 2012, 285, 61-73.
-
[50] F. Chen, D. Liu, J. Zhang, P. Hu, X. Q. Gong, G. Z. Lu, Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 16573-16580.
-
[51] Y. L. Song, L. L. Yin, J. Zhang, P. Hu, X. Q. Gong, G. Z. Lu, Surf. Sci., 2013, 618, 140-147.
-
[52] J. Zhang, X. Q. Gong, G. Z. Lu, Surf. Sci., 2015, 632, 164-173.
-
-
扫一扫看文章
计量
- PDF下载量: 1
- 文章访问数: 1222
- HTML全文浏览量: 97

下载: