利用纳米合金中低配位原子活性设计高效水催化剂的第一性原理研究

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本文采用第一性原理计算方法详细研究了Run(n=1-14),PtRun-1(n=2-14),H2O-Run(n=1-14)和H2O-PtRun-1(n=2-14)体系的几何构型和电子性质。计算结果表明:单个铂原子的掺杂使电荷由铂原子向钌原子转移,合金团簇的磁矩以及平均键长比同尺寸的纯钌团簇大。水分子与合金团簇的吸附能随原子数目的增加表现出振荡现象,铂钌合金团簇与水的相互作用说明水分子容易吸附在具有低配位数的钌原子上,电荷明显的由水分子向合金团簇(特别是铂原子)转移。催化分解水的关键一步是催化剂与水产生较强的相互作用,如果相互作用较弱,则在水分子中O-H键被外界能量断开之前,水分子就以分子形式脱离催化剂,从而起不到催化分解水的作用。本文研究的铂钌合金团簇与水分子的吸附能比同尺寸的纯钌团簇与水分子的吸附能大,也比文献中水在金属表面的吸附能大很多。说明在进行催化分解水时,相比纯钌团簇,水分子不容易从铂钌合金团簇脱附,铂钌合金更有利做分解水制取氢气的催化剂。我们进一步研究了H2O分子在RhRun-1/PdRun-1/AuRun-1(n=2-14)体系的吸附行为,发现水在这些合金团簇上最大的吸附都大于水分子在纯钌团簇上的最大吸附能,但是都小于水在PtRu6团簇上的吸附能。我们分别找到了水分子在 Ru8以及水分子在PtRu7团簇上的分解路径以及分解势垒,发现:水分子在Ru8上的分解势垒小于其吸附能,有分解的可能性,而在PtRu7上的分解势垒大于其吸附能,分解有难度。鉴于合金团簇与水分子的结合能整体上大于纯钌团簇与水分子的结合能,我们将进一步研究水分子在那些吸附能较大团簇上的分解问题。我们的研究结果可以为实验上找到分解水的高效合金催化剂提供新思路,并为利用太阳能分解水制取氢气提供理论支持。
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