Au掺杂对Fe13@Pt42-nAun三金属纳米颗粒结构,性质及O2催化性能的影响

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确定的几何结构和原子比例是研究三金属纳米颗粒电子性质、磁性、催化性能及其它性质的基础。我们以第一性原理为基础,使用密度泛函理论研究了Fe13@Pt42和Fe13@Pt42-nAun(n=0-12)纳米颗粒结构,电子性质,磁性以及对O2催化性能,分析Au掺杂的影响。首先优化纳米颗粒的结构,对于Au原子个数相同但位置不同的纳米颗粒,设计了2-6种比较有代表性的结构进行比较,选出能量最低的构象进行接下来的电子性质,磁性的分析。然后,选取稳定性较高的Fe13@Pt42-nAun(n=0,1,2)结构进行O2催化部分的研究,使用弹性爬坡法寻找反应的过渡态,比较活化能垒,并分析初始态的态密度,分子轨道等特性。主要变化与发现概括如下:  1、Au原子更易在Fe13@Pt42表面的顶点位发生取代进行取代,形成Fe13@Pt42-nAun。n=1时,Au原子在占据顶点时能量更低,n=2时,顶点Au原子距离越近,获得的能量越低。仅在Fe13@Pt39Au3和Fe13@Pt37Au5两种稳定构象中有居于顶点间的边位占据出现。  2、通过Au原子取代,Fe13@Pt41Au1(T),Fe13@Pt41Au1(E)和Fe13@Pt40Au2获得了比Fe13@Pt42更高的稳定性,且Fe13@Pt41Au1(T)是所有结构中最稳定的构象。随着Au原子数的增多,三金属纳米颗粒稳定性呈下降趋势。Au的加入会导致键长的改变,使结构发生轻微的变形。原子比率与取代位置对键长均有影响。  3、Au的掺杂会导致电荷转移量的减少和Fe原子d轨道的迁移,但不会改变电荷转移的方向,电子仍由壳转移到核。纳米颗粒中原子间的平均键长RFe-Fe,Fe原子的Bader电荷,Fe原子d带中心的自旋分裂△d,磁动量随着Au原子数的变化都呈现出相似的变化趋势。原子间键长对电子性质和磁性的变化起着关键性的作用。  4、在对O2的催化过程中,O2在Fe13@Pt42-nAun纳米颗粒表面水平吸附。最稳定吸附点位没有因Au原子的掺杂而改变,都是T-B-E位,即两个O原子分别与顶点和桥位的Pt原子相连。在Au掺杂的平面中,O2更易吸附在远离Au原子的Pt上。吸附能的大小与RO-Pt呈现负相关的趋势。O原子在Au掺杂的纳米颗粒表面的吸附能减小,有利于O原子从活性点位的脱附,促进氧化还原反应的发生。  5、O2在Fe13@Pt42-nAun表面解离要跨过一个0.5~1.1eV的能垒,高的吸附能是O2解离的必要条件,除了之外,还受反应能和解离能的影响,O2分解是氧化还原反应的控速步骤,与O2在纳米颗粒表面分解时的键长RO-O,振动频率vO-O,与Pt原子间距离RO-Pt,电荷转移量也密切相关。Au的加入会使吸附能和活化能垒同时减小,提高反应的催化活性,但是反应从自发的放热反应转变为吸热反应。
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