低維納米材料化學(xué)反應(yīng)活性的第一性原理研究.pdf

1、本論文圍繞低維材料的化學(xué)活性及表面態(tài)性質(zhì)，采用第一性原理及模型分析方法，以幾個(gè)具體體系為例子，展示了對(duì)低維材料化學(xué)活性和表面態(tài)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控的一些手段，取得了以下創(chuàng)新性成果：
　　 (1)小分子在過(guò)渡金屬團(tuán)簇上的吸附：ⅰ)CO在Scn(n=2-13)團(tuán)簇上的吸附具有明顯的尺寸依賴(lài)效應(yīng)：團(tuán)簇尺寸小于10時(shí)，吸附能隨尺寸變化呈奇偶震蕩，n=5、7和9對(duì)應(yīng)著峰值，對(duì)應(yīng)較高的化學(xué)活性。CO的吸附可以降低某些尺寸的Scn團(tuán)簇的磁性，如SC1

2、3的磁矩從19μB降低到5μB。ⅱ)N2和NO在釩團(tuán)簇Vn(n=2-13)上的吸附具有不同的尺寸依賴(lài)性質(zhì)。前者對(duì)尺寸的依賴(lài)比后者強(qiáng)。在不同的釩團(tuán)簇上，既有N2和NO的解離吸附又有分子吸附。同樣的N2和NO的吸附會(huì)影響團(tuán)簇的磁性，N2能使釩團(tuán)簇磁矩減小或不變，而NO既可以使其減小也可以使其增大。
　　 (2)氫與不同維度納米材料的相互作用：ⅰ)金屬修飾的Ca12B80和Sc12B80團(tuán)簇具有優(yōu)異的儲(chǔ)氫性能，儲(chǔ)氫質(zhì)量百分比分別達(dá)到9

3、.0wt.％和7.9wt.％。兩個(gè)體系的儲(chǔ)氫機(jī)理不同：Ca12B80主要通過(guò)電場(chǎng)極化作用吸附H2，而在Sc12B80體系中，Dewar-Kubas作用與電場(chǎng)極化作用均起了重要作用。在同一個(gè)體系存在兩種不同吸附機(jī)制，在類(lèi)似研究中尚屬首次發(fā)現(xiàn)。ⅱ)結(jié)合第一性原理與力學(xué)模型，我們系統(tǒng)研究了如何通過(guò)選擇性氫化控制單壁碳納米管(SWNT)橫截面形狀。提出了一種不同于傳統(tǒng)的通過(guò)塑性形變或屈曲方式減小應(yīng)力的方法，發(fā)現(xiàn)通過(guò)將完全氫化的SWNT(FH-S

4、WNTs)管內(nèi)幾排H翻到管外，可以使體系的彎曲應(yīng)變能大大降低，從而控制SWNT橫截面的形狀(如三角形、四邊形)。ⅲ)我們進(jìn)一步研究了在二維金屬量子薄膜中，改變薄膜厚度以及表面修飾對(duì)氫透過(guò)率的影響。發(fā)現(xiàn)受量子尺寸效應(yīng)(quantum size effect，QSE)的影響，某些厚度的薄膜具有非常高的穩(wěn)定性；同時(shí)，QSE還會(huì)影響薄膜對(duì)氫的化學(xué)活性，進(jìn)而影響氫擴(kuò)散過(guò)程的速率，在很大范圍內(nèi)調(diào)控穿過(guò)這些薄膜的H2流量。另外，在Pd量子膜的滲透?jìng)?cè)覆

5、蓋一層與H作用較弱的Cu或Ag單分子膜會(huì)明顯減小H在表面的化學(xué)吸附勢(shì)阱深度且不引入其它更高能壘，從而使H2流量在500K左右時(shí)提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　 (3)拓?fù)浣^緣體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的近鄰效應(yīng)：我們研究了如何利用雙向近鄰效應(yīng)精確調(diào)控拓?fù)浣^緣體異質(zhì)結(jié)構(gòu)中拓?fù)浔砻鎽B(tài)(Topological surface state，TSS)在垂直于薄膜方向上的空間位置。我們的計(jì)算表明，通過(guò)在拓?fù)浣^緣體(Bi2Se3或Bi2Te3)表面沉積一層普通絕緣體