Re-Ni纳米团簇生长机制的解析

A quantitative study of the diffusion and growth on nanoparticles from the atomic level is essential to control artificial cluster configuration, which is focusing on the development direction of material design. At present, the research on the structure of the nanoparticles is mainly with a static method. The nanoparticle structure is obtained by this method is different from that is observed in experiment. To study the structure of nanoparticles, the diffusion process of adatom is considered at first. The effect of growth conditions on the structure will be studied comprehensively, and the simulation process will also be more close to the actual growth process of nanoparticles. In the project, the interaction potential between atoms of Re-Ni has been built and optimized, the diffusion and growth process of Re adatoms on Ni clusters and the laws of the structure of bimetallic clusters varying with growth conditions (such as configuration, size and temperature of substrate) have also been discussed. To provide theoretical guidance for the design of the catalyst particles with core-shell structures which are metal Re surrounding with a thin shell of metal Ni. This can save scarce resources Re, cut the cost, further expand the application of Re space.

从原子层次上定量地掌握吸附原子在纳米团簇表面的扩散和生长的动力学过程，能真正实现人为控制纳米材料的结构，是材料设计的重要发展方向。目前，对纳米团簇结构的研究主要采用静态的方法，采用这些方法得到的纳米团簇结构同实验结果相比有较大的差别。而从吸附原子扩散动力学方法入手研究纳米团簇的结构可以全面、动态地研究生长条件对结构的影响，模拟过程也将更接近纳米团簇的实际生长过程。本项目拟以Re-Ni核壳结构纳米团簇作为研究对象，构建并优化原子间的相互作用势，探讨Re吸附原子在Ni团簇上的扩散生长行为，揭示纳米团簇的结构随生长条件（如基体的形状、大小和温度等）变化的规律及其微观演变机制，为设计Re包被在Ni团簇表面的具有核壳结构的催化剂颗粒提供理论指导，节约稀缺资源Re的用量，降低成本，进一步拓展Re的应用空间。

纳米材料的研究是当今世界凝聚态物理、化学和材料科学等领域中的热门课题之一，如何制备出满足市场需求的纳米器件是材料学科的重要领域，同时也富有挑战性。本项目以Re-Ni核壳结构纳米团簇作为研究对象，构建并优化了原子间的相互作用势，结合分子动力学方法，探讨了不同构型的Ni团簇表面的自扩散和异质扩散行为，研究结果表明，在该团簇的（111）面内即使在低温下也容易实现面内自扩散，而在（100）面内，面内扩散不容易实现，主要原因是吸附原子容易被俘获在四重配位的势阱内。当吸附原子跨过两种台阶进行面间扩散时，不同的台阶类型所需克服的势垒不同，扩散机制也略有差异。面间扩散相比面内扩散难以实现。相似扩散路径中的异质扩散的扩散势垒比同质自扩散的高很多。. 在以上扩散的研究基础上，我们分析了300K下，基于不同生长阶段的Re原子在Wulff1289Ni团簇基底上生长行为，我们研究了扩散行为对不同阶段生长行为的影响。采用径向分布函数和Baletto的理论对动态生长模拟获得的结构进行了详细地分析。结果证实能获得一个Re层包裹Ni内核的核壳结构。. 我们选取温度100K，200K，300K和600K，研究了温度对团簇生长行为的影响。Re吸附原子在Ni团簇上不同位置、不同温度下的扩散都有很大区别。温度较低时，Re吸附原子每次跃迁间隔停留在团簇表面平衡位置上的时间比较长，温度越高，Re吸附原子的扩散能力越强。分析了基底大小对团簇生长行为的影响。不同尺寸的基底获得质量较好的核壳结构的团簇对应的温度也有差异。因此，根据不同大小的团簇，控制相应生长的温度至关重要。. 本项目揭示了纳米团簇的结构随生长条件变化的规律及其微观演变机制，为设计Re包被在Ni团簇表面的具有核壳结构的催化剂颗粒提供理论指导，节约稀缺资源Re的用量，降低成本，进一步拓展Re的应用空间。