第一性原理研究FenPt55-n(n=0-55)双金属纳米颗粒的结构、磁性、电子性质以及对CO的吸附性能

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FePt双金属纳米颗粒具有很大的比表面积以及独特的磁学性质,在催化领域和磁学材料方面有广泛的应用前景。本论文运用第一性原理的方法研究了不同比例FePt双金属纳米颗粒的结构稳定性、磁学性质、电子性质,然后考察了具有特定结构和组成的FePt纳米颗粒对CO的吸附性能。本论文研究的主要内容如下:1.基于密度泛函理论,我们研究了正二十面体的FenPt55-n(n=0-55)纳米颗粒的结构、电子性质以及磁学性质。首先,用软件产生一些Fe和Pt原子随机分布的不同浓度的FenPt55-n纳米颗粒。通过分析这些纳米颗粒结构与能量的关系发现表面Fe的比例越小,纳米颗粒的过剩能越低且稳定性越高。差分电荷密度和Bader电荷的分析显示出在FenPt55-n纳米颗粒中Fe原子把电子传递到Pt原子上,并且在Fe和Pt的原子比为1:1时,电荷转移量达到最大值。经过磁性计算和分析得出纳米颗粒的总磁矩随着Fe原子浓度的增加而增加,并且对于Pt原子的位置非常敏感。占据纳米颗粒中心位置的Pt原子对纳米颗粒的总磁矩具有促进作用,而占据纳米颗粒外层和次外层的Pt原子对纳米颗粒的总磁矩具有抑制作用,并且最外层Pt原子的抑制效应强于次外层Pt原子。2.根据以上偏析能以及结构分析,我们设计了七种具有特殊结构的正二十面体的FenPt55-n纳米颗粒,并且通过过剩能检验,这些结构是相对稳定的。CO分子吸附在不同纳米颗粒的不同位置,吸附能以及其它结构参数被计算出来。通过分析吸附能发现内层的Fe原子会抑制表面Pt原子对CO的吸附性能。此外,对结构参数C-O键长以及拉伸振动频率的分析显示出,纳米颗粒对CO分子的吸附能的绝对值越大,C-O键长会越长,CO分子的振动频率越弱。在所设计的FenPt55-n纳米颗粒中,CO分子在Fe12Pt43纳米颗粒上吸附时,C-O键长较短,拉伸振动频率较大,吸附能的绝对值较小,有助于防止纳米颗粒对CO分子强吸附而导致的催化剂中毒。通过分析Fe12Pt43纳米颗粒的差分电荷密度以及Bader电荷得出O原子得电子而C原子失电子。对整个CO分子而言,吸附在桥位原子上时是失去电子的,而在其他部位吸附是得到电子的。态密度分析显示CO分子的(S+p)轨道与Pt原子的d轨道杂化使56轨道向低能区移动,2π*分子轨道向高能带移动,导致CO分子吸附能以及得失电子数的不同。
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