ZnO形貌控制以及XRD表征的理论研究

研究发现，不同的合成条件可以显著地影响金属氧化物催化剂的形貌，而形貌又和催化活性及选择性密切关联。因此研究金属氧化物形貌控制基本原理、以及与催化反应性能之间的构效关系意义重大。目前形貌相关的研究多集中在实验上，而理论方面的研究还相当缺乏。本项目，将以ZnO为例，结合第一手的实验结果，从理论上研究控制氧化物形貌的基本热力学行为，以及可能的动力学因素。运用密度泛函理论和Wulff构造理论，定量研究氧化物形貌在不同反应条件下的变化和响应，构造金属氧化物形貌的热力学相图,研究从热力学和动力学上改变条件来控制氧化物形貌的方法和途径。在此基础上，结合XRD模拟手段，研究形貌与XRD谱图以及催化反应活性面之间的关系。本项目力图在氧化物形貌控制以及表征的理论研究方法上有所进展，明确氧化物形貌和催化反应性能之间的构效关系，指导相关金属氧化物催化剂的优化和设计。

本项目研究了ZnO晶体的形貌以及ZnO各个表面的表面能。为了解决ZnO极性表面表面能的这一理论难题，我们提出用经典的对势法和局域能法来处理，针对传统的局域能法中转移电子分配的缺陷我们提出了一种杂化的方法对此进行改进。本项目还对ZnO超薄膜的稳定性展开研究，发现极性的超薄膜会重构成非极性类石墨结构以增加其稳定性。本项目研究了ZnO超薄膜上，Cu的稳定性以及ZnO表面Pt,Au原子的稳定性，发现相较于单层膜，双层膜上Cu更稳定，而Pt,Au的稳定位置是表层Zn原子的替代位。本项目还研究了ZnO表面在金属存在条件下的甲醇和水的吸附以及甲醇蒸汽重整反应，发现Cu/ZnO的界面处，Pt1/Au1取代位是催化反应活性中心。在甲醇蒸汽重整反应中，CH2O更倾向于和OH结合生成CH2OOH而不是直接解离，是ZnO表面甲醇蒸汽重整反应CO2高选择性的重要原因。另外，我们也模拟了不同形貌ZnO的XRD谱图，还对项目研究过程中遇到的一些理论问题，进行了一些算法的改进和程序的编写。