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随着科技的进步多相催化剂的应用变的越来越广泛,设计出具有较高催化性能的多相催化剂材料已经成为当今科学家们的共同梦想。而缺陷能够提升材料的催化性能这一事实也越来越受到科研人员的重视,对于缺陷结构在催化过程中所扮演角色的正确理解可以直接用于指导合成高性能的催化材料。
本文中以CO+NO在Pd(100)和Pd(111)晶面上的反应作为探针来研究晶面的空位缺陷对于催化性能的影响。采用密度泛函理论方法(Density Functional Theory: DFT)来研究CO+NO反应中的N,O,CO,NO,N2,CO2吸附物种的吸附位,吸附能,以及各基元步的反应路径和反应能垒。首先,通过在Pd(100)和Pd(111)晶面以及相应的缺陷晶面上的吸附性能对比,发现空位缺陷可以增强Pd(100)晶面的吸附性能,消弱Pd(111)晶面的吸附性能,并通过对这些晶面的HOMO-LUMO能隙分析可以很好地解释这一趋势。其次,通过对比各基元步在不同晶面上的能垒,发现空位缺陷明显降低NO分解的能垒和N2生成的能垒。通过对空位缺陷进行细微结构分析,发现空位缺陷是由(100)微晶面和(111)微晶面通过特殊角度组成的亚稳结构,此亚稳结构对于NO分解的能垒和N2生成的能垒的降低起到关键作用。然而由于CO2分子本身是比较大的线性分子,导致空位缺陷对其反应能垒影响不大。同时,研究中还得到了各反应中具有共性的步骤:①吸附物必须首先被活化②吸附物在正确的方向上互相接近。最后,探讨了CO+NO的最佳反应机理发生在含有空位缺陷的Pd波浪形结构上,而此结构对于催化剂的性能有着重要的影响。