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双金属纳米颗粒CunNi55-n(n=0-55)结构和催化性质的研究

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摘要

第一章 绪论

1．1 纳米催化材料

1．2 人工蜂群算法

1．3 通过掺杂其他金属改善单金属纳米催化剂催化性能

第二章 理论计算基础

2．1 人工蜂群算法搜索初始结构

2．1．1 人工蜂群算法的定义及原理

2．1．2 人工蜂群算法应用于最优化结构搜索

2．1．3 Gupta势能参数的选择和人工蜂群算法参数的设置

2．2 密度泛函理论优化及计算

2．3 薛定谔方程的几种近似解

2．4 交换关联函数

2．5 计算软件包介绍

第三章 结合人工蜂群算法研究CunNi55-n(n=0-55)双金属纳米颗粒的结构，磁学和电学性质

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 CunNi55-n(n=0-55)双金属纳米颗粒的结构性质

3．3．2 CunNi55-n(n=0-55)双金属纳米颗粒的磁学和电子性质

3．4 结论

第四章 Cu42Ni13双金属纳米颗粒与H2O的吸附与反应

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 H2O在Cu42Ni13双金属纳米颗粒上的吸附

4．3．2 OH基在Cu42Ni13双金属纳米颗粒上的吸附

4．3．3 H在Cu42Ni13双金属纳米颗粒上的吸附

4．3．4 H2O在Cu42Ni13双金属纳米颗粒上的分解反应

4．4 结论

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

研究成果以及发表学术论文

作者及导师简介

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摘要

本文主要采用了人工蜂群算法和密度泛函理论相结合的方法，系统研究了CuNi双金属纳米颗粒的结构，电子和磁学性质。除了这些性质以外，还用人工蜂群算法优化和搜索了不同大小和不同比例的的CuNi双金属纳米颗粒，以及设计了不同比例的CuNi双金属纳米颗粒和H2O的反应。研究当Cu和Ni的比例变化的情况下，CuNi双金属纳米颗粒的催化性能的变化，通过分析计算得到的结果，得出了以下几个结论:
　　1.通过人工蜂群算法搜索CunNi55(n=0-55)的双金属纳米颗粒的结构，发现所有的CunNi55-n(n=0-55)双金属纳米颗粒最稳定的结构都是正二十面体的结构，即正二十面体的CuNi双金属纳米颗粒相对于其他的双金属纳米颗粒的结构要稳定。而且发现随着Cu原子数目的增加，CunNi55-n双金属纳米颗粒的过剩能会降低，后增加。而且在Cu原子数目为42时，Cu42Ni13双金属纳米颗粒的过剩能最低，而且此时的Cu42Ni13双金属纳米颗粒会形成一个完美的核壳(core shell)结构。并且发现不管Cu原子数目怎么变化，CuNi双金属纳米颗粒的过剩能总是小于零，这表明Cu原子或Ni原子的加入，有助于提高纯的Cu55或纯的Ni55的双金属纳米颗粒的稳定性
　　2.通过对CunNi55-n双金属纳米颗粒磁性变化和态密度的分析，发现随着Cu原子数目的增加，Cu原子的平均磁矩和Ni原子的平均磁矩呈现不同的变化趋势，当Cu原子数目小于三十时，随着Cu原子数目的增加，Cu原子的平均磁矩会增加;但当Cu原子的数目大于三十之后，随着Cu原子数目的继续增加，Cu原子的平均磁矩会逐渐降低，最后变为零。因为Cu原子本身是非磁性金属原子。而Ni原子的平均磁矩会随着Cu原子数目的增加，一直降低，因为Cu原子是非磁性金属原子，新加入的Cu原子的3d分子轨道与Ni原子的3d分子轨道的重叠，导致Ni原子态密度的不对称性减弱，所以Ni原子的平均磁矩会降低。而与此同时，CunNi55-n双金属纳米颗粒的总磁矩也会随着Cu原子数目的增加而一直降低。通过分析Cu原子的平均磁矩和Ni原子的3d分子轨道与Cu原子的3d分子轨道的重叠情况，发现当Cu原子的3d分子轨道与Ni原子的3d分子轨道重叠增加的时候，Cu原子的平均磁矩也会相应增加。
　　3.Cu原子的加入，会使得更多的巴德电荷从Cu原子上面转移到Ni原子上面。但是由于平均巴德电荷的大小，不仅与失去电荷的原子失去的电荷数目有关，而且和失去电荷的原子的数目也有关系，所以总得来说Ni原子的巴德电荷是先减小后增大的，因为在CunNi55-n双金属纳米颗粒中，所有的Cu原子都是带正电荷的，所以Cu原子的巴德电荷降低，表示其失去的电荷增加。而且发现在Cu原子数目等于四十二时，Ni原子的平均巴德电荷最低，此时也是在Cu42Ni13金属纳米颗粒为核壳结构时。并且我们的计算结果发现，Ni原子的平均巴德电荷与双金属纳米颗粒的过剩能的变化相关性很好，其相关系数R等于0.998。
　　4.水分子在吸附到Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂上时，最稳定的吸附位点是Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂的顶点位点，而且对于正二十面体的Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂而言，二十面体的每一个表面由六个原子组成一个三角形，在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂的每一个三角形面中，总共有六个不同的等效位点，分别是两个顶点位点，T1和T2，两个桥位，B1和B2，以及两个空穴位，H1和H2。通过计算水分子在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂上的吸附能，发现水分子在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂上最稳定的吸附位点在顶点位点的T1和T2上;OH在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂上最稳定的吸附点是位于桥位上的B1位，其次是位于顶点位点的T1位;H基在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂上最稳定的吸附位点是位于顶点位点的T2位，其吸附能为-3.28eV,其次则是位于桥位的B1位，其吸附能为3.23eV
　　5.通过比较水分子在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂上的反应能垒和态密度的关系，发现水分子在CuNi双金属纳米颗粒催化剂的稳定吸附点，是在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂的顶点位点上的T1位和T2位，并且水分子在CuNi双金属纳米颗粒催化剂上的分解分为两步，第一步是水分子分解为OH和H基团，第二步则是OH在CuNi双金属纳米颗粒催化剂上分解为自由基的O和自由基的H。在我们的计算中，发现不管水分子在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂的什么等效位点上分解，第二步OH的分解能垒都要比第一步水分子分解为自由基的H和OH基团的能垒要高。而且我们的计算结果还发现，水分子在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂上发生分解反应的能垒和焓值并不同，这表明水分子在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂上发生反应时，Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂不仅是充当了催化剂的作用，而且也参与了化学反应，并且由于水分子在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂的不同位点吸附时吸附能并不同，这就形成了同分异构的Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂和反应物与产物的新体系。计算还发现水分子在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂的顶点位点的T2等效位发生分解反应时，反应能垒要比水分子在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂的顶点位点的T1等效位点的能垒和焓值低，这表明水分子在Cu42Ni13双金属纳米颗粒催化剂的顶点位点的T2位更加稳定。

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