铜表面氢原子扩散动力学的理论研究

Research on the chemisorption and diffusion dynamics of atomic hydrogen on metal surfaces has an important scientific significance and great practical merit in a wide range of industrial applications, such as catalysis, next generation clean energy, corrosion protection, and nuclear technology. The accurate and efficient description of dynamical interactions between the adsorbed atom and surfaces, at the atomic level in real time, plays a fundamental and key role in the understanding of microscopic mechanisms of related dynamical processes, in the control and design on surfaces, and in surface engineering. Taking the diffusion dynamics of atomic hydrogen on metallic copper surfaces as an example, this project aims to develop the accurate and effective quantum dynamics methods to study the real-time surface dynamics in materials systems at the atomic level. This work plans to investigate the quantum effects in surface dynamics of the adsorbed atom and the effect of time-evolving local surface structure on the diffusion dynamics, to find the connection between the dynamical results and the selected system models and to explore the way to control the diffusion dynamics on surfaces in materials systems at the atomic level.

金属表面氢原子的吸附与扩散动力学过程的研究在工业催化、未来清洁能源、防腐工艺、核能技术等领域具有重要的科学意义和应用价值。在原子尺度上精确描述吸附原子与表面实时动态相互作用是理解相关动力学过程的微观机理、进行表面控制与设计、开展表面工程的基础和关键。本项目选取金属铜表面氢原子的扩散动力学为例，旨在发展精确有效的量子动力学方法，在原子水平上开展材料表面动力学的实时研究。考察吸附原子表面动力学的量子效应以及随时间演化的表面局域结构对动力学的影响。建立动力学结果与体系模型的关联，探求在原子尺度控制材料表面扩散动力学的途径。

金属表面的氢原子扩散以及相关吸附等过程的动力学研究对于工业催化、氢能利用、金属表面防腐、核能技术等领域具有潜在的重要应用价值。尽管此前大量的实验及理论研究为理解相关过程奠定了基础，在原子尺度精确描述进而控制吸附氢原子与金属表面的量子动力学在理论上仍然存在很多挑战。.本项目发展了若干动力学理论方法，应用于铜表面氢原子扩散在原子水平上的实时研究。其中轨线导向取样方法旨在解决模拟稀有事件主导的扩散动力学的难题。该方法有机地结合了确定性的分子动力学模拟以及随机性的蒙特卡洛模拟，可以有效地提高稀有事件的取样效率。研究显示该方法相比于常规分子动力学模拟统计平均收敛性提高，有望应用于一般的稀有事件主导的动力学过程，包括其他表面、界面乃至体相动力学。.本项目还发展了两种新的非绝热量子动力学方法，可用于描述复杂分子体系量子动力学。其中多态轨线方法提出描述原子核-电子耦合体系的多态轨线表示，对于每个电子态采用特定轨线描述其动力学。相干控制方法首次提出建立经典电子态空间和全电子矩阵之间的映射以及分解态空间和不同类型核动力学之间的映射关系。将相干区域对应的平均场动力学和单态区域对应的玻恩-奥本海默动力学统一起来描述原子的运动。两种方法对于核-电子耦合处理自洽，应用于非绝热动力学基准测试模型得到与严格量子计算相吻合的结果。研究显示方法经济有效，具有优异的数值稳定性和实用性，可应用到含有多电子态复杂材料体系。该项工作为理解量子动力学提供了新的半经典诠释，为精确有效描述复杂分子体系的非绝热动力学提供了新的途径。.此外本项目提出了一种新的利用非绝热效应控制表面扩散动力学的机制。考察了吸附原子表面动力学的多态量子效应以及随时间演化的表面局域结构对动力学的影响。研究了动力学结果与体系模型的关联，探讨了在原子尺度控制材料表面扩散动力学的新途径。