纳米高效催化剂对一氧化碳催化氧化的第一性原理研究

Using first-principles calculations based on density functional theory, the structural catalysts catalyzing and removing carbon monoxide(CO), the effect and the modulation of the catalytic activity through quantum size effect are investigated. First,the modulated catalytic capability by the quantum size effect of the Au/Pd film and the optimum thickness of the film in CO catalytic oxidation are studied.Second, we investigate the catalytic properties of the sandwich structure composed of Au/Pd,graphene and topological insulator, probe the effects of the thinkness of the metal film and topological insulator on the catalytic properties, and obtain the optimum structure of these catalysts. After the study of this project, theoretical direction may be provided on the manufacture of the structured catalysts experimentally. At last, the physical mechanism and the catalytic capability modulated by the quantum size effect of the catalysts are studied in detail by proceeding through the atomic and electronic structures. It is a pioneering project and will make innovative achievements on the way to probing the catalysis mechanism and to finding green and high activity catalyst.

本课题利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究结构催化剂对CO的催化消除，探讨尺寸效应对催化剂活化能力的影响和调制。首先，研究Au、Pd纳米薄膜本身尺寸效应对其催化能力的调制；预言纳米薄膜在催化氧化CO时的最佳厚度。其次，研究Au和Pd分别固载在石墨烯和拓扑绝缘体上形成的"三明治"结构对CO的活化能力；探讨金属薄膜和拓扑绝缘体的厚度分别改变时对催化活性的影响，给出该催化剂的最佳结构模型，为实验上研制量子催化剂提供理论指导。本项目在原子几何结构设计层面上，从电子结构角度理解催化剂的催化机理和尺寸效应对催化活性的调制作用。本课题的成功实施将是一个开创性的研究工作，在寻找绿色高效催化剂以及催化原理方面将取得一定的创新成果。

重点研究了（1）绿色高效纳米催化剂的设计和机理研究，发现铂团簇在55附近的幻数团簇由正二十面体构型转变为具有高度D6h对称性的三层原子结构。幻数由奇数55转变为57；可以采用合金效应来调控催化剂催化能力的物理机制问题，比如有效地改善高质量单晶石墨烯的生长；（2）接下来尝试把纳米催化剂推进到更深入的一个层次，即量子催化,发现Pb薄膜功函数和稳定层之间不同步，在薄膜厚度比较小的时候，有 1 层的相位偏移。金属纳米线的幻数长度与横截面半径和金属价电子数有密切关系；可以采用一个双势阱模型来描述由量子隧穿引起的扭曲二聚体的振动模式，揭示低温下STM在硅的（001）表面观察到对称二聚体的微观机制；Si（111）表面所形成的金属层纳米结构考虑量子效应引起材料的电子结构变化以及相变过程；（3）裁剪、化学修饰、应变、电场、缺陷或掺杂等调控低维材料电子和磁特性，发现锯齿型g-CN纳米带（Zg-CNNRs）在不同的边界钝化下费米能级附近完全由自旋向下的电子态控制；氧钝化 (O-d-PNRs)的磷烯纳米带的磁耦合在外加压应力超过–4%时，出现了不可逆的反常Wilson相变；进一步通过掺杂调制磷烯的电子结构特性，发现磷烯的电子特性可以被非金属杂质原子的价电子数调制，金属替代掺杂的电子和磁性可以通过d轨道与缺陷态(磷空位)之间杂化的简单模型来理解；（4）纳米材料摩擦特性的研究，发现掺杂原子引起的电子结构的改变是金刚石薄膜摩擦性质变化的根本原因；QSEs是一种有效的办法调制纳米摩擦特性；双层h-BN间由于不均匀的电荷分布导致摩擦呈现各向异性的特点，与石墨烯层间各向同性特征有所差异；Pyrene基分子和石墨烯之间的相互作用和摩擦可以解释Pyrene基分子作为分子楔从石墨上剥离石墨烯。