CN104866660B - 一种预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt吸附CO分子吸附性质的方法 - Google Patents
一种预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt吸附CO分子吸附性质的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt吸附CO分子化学吸附性质的方法，有效地利用密度泛函理论（DFT）中B3LYP方法对吸附体系A：Mg9O9/Au/CO模型；B：Mg9O9/Pt/CO模型；C：Mg9O8/Au/CO模型；D：Mg9O8/Pt/CO模型进行结构优化，使用计算机更方便更快捷的模拟出键长，键角，二面角，吸附能量和前线轨道等输出信息，可以有效避免其他物质的干扰，从而得到比试验数据更为准确的计算模拟数据值，而且可以得出一系列吸附体系中吸附能量值的大小，预测出该系列吸附体系对CO分子吸附的强弱，对未来纳米MgO材料结构进行优化，使其更具吸附速率快、反应迅速、吸附容量大等优点，为环境保护和资源节约等方面发挥重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt吸附CO分子吸附性质的方法，属于量子化学计算的范畴。
背景技术
如今，MgO纳米材料的应用得到了广泛关注，尤其是在很多化学反应中发挥着重要的催化作用。另外，MgO纳米材料也可以作为其他催化剂的载体发挥着重要的作用，比如以MgO为载体通过气态嵌入过渡金属（如Au、Ru、Pt、Pd、Ag、Ni、Cu）的方法，从而生成以MgO为载体的Au/MgO、Pt/MgO催化剂可以在低温条件下催化CO等被O2氧化的反应，通过催化并发生化学反应将有毒有害气体转化为无毒无害物质。MgO纳米材料由于其特殊结构的因素，在作为吸附剂应用具有吸附速率快、反应迅速、吸附容量大等优点，在工业生产、环境保护等方面发挥着重要的作用。目前针对过渡金属Au、Pt对CO吸附性质的研究尚不完善，这方面的理论研究有助于理解在MgO表面嵌入过渡金属离子吸附和催化CO体系的原理机制。现有技术中通过SEM扫描电镜等表征手段是可以观察到MgO材料表面缺陷，但在实验及应用中，并不能够具体的研究出不同缺陷位点对于材料应用的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt吸附CO分子化学吸附性质的方法，该方法方便快捷、简单易行。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
一种用密度泛函理论(DFT)预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt吸附CO分子化学吸附性质的方法，包括如下步骤：
1）纳米团簇模型的选择：
选择构建下面8种纳米团簇模型作为研究对象，
A：Mg9O9/Au/CO吸附体系模型，
B：Mg9O9/Pt/CO吸附体系模型，
C：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型（MgO表面存在F5c位氧缺陷），
D：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型（MgO表面存在F5c位氧缺陷），
E：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型（MgO表面存在F4c位氧缺陷），
F：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型（MgO表面存在F4c位氧缺陷），
G：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型（MgO表面存在F3c位氧缺陷），
H：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型（MgO表面存在F3c位氧缺陷）；
2）计算方法和基组的选择：选用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法，有关于基组的选择如下，由于Au、Pt原子的价电子是Au:5d10 6s1、Pt：5d9 6s1，采用Hay-Wadt赝势及双ξ极化基组（LANL2DZ）；对于完美表面MgO表面吸附点周围的Mg原子和O原子，采用6-31G(d)基组；另外，对于存在氧缺陷的MgO表面，为了更好地描述缺陷位周围的电子，增加了弥散函数；对于被吸附分子同样采用了6-31G(d)基组；
3）结构优化：根据步骤2）所选用的计算方法和基组，使用关键词opt，提交计算作业，运行Gaussian03程序对所提交的计算作业进行运算，直到所要求的四个常数完全收敛，计算机运算结束并得到输出文件；
4）输出信息提取：在完成对8种不同吸附体系的结构优化之后，从Gaussian03软件计算的输出文件中提取出关于所述8种吸附体系的最低能量值；
5）根据步骤4）提取出的信息，可以得出所述8种吸附体系相应的体系能量降低值即吸附能，总结出所述8种不同吸附体系的吸附能大小变化的规律；
6）预测该系列各吸附体系中MgO表面气态沉积过渡金属Au、Pt对CO分子吸附能力的大小和吸附可行性的判断。
在上述方案的基础上，步骤1）的所述纳米团簇模型结构的构象处于最低能量状态。
在上述各方案的基础上，步骤1）中所述8种吸附体系模型的结构均是使用GaussView5.0程序画出。
GaussianView5.0程序是高斯软件根据需求开发出的桌面平台程序，可以通过该程序画出所需要的分子构型，提交给Gaussian03程序进行计算，计算完成后可用GaussView5.0读出计算数据。
在上述各方案的基础上，步骤2）根据所选体系结构选出适用于该体系计算的方法和基组。
所有的计算都是基于密度泛函理论的研究，需要根据不同的分子构型，不断改进计算方法和基组，通过对方法和基组优化，从而产生与实验值相近似的计算结果。
在上述各方案的基础上，步骤3）的输入命令为#B3LYP/gen opt pseudo=read。
其中,步骤2的输入命令关键词：#B3LYP/gen pseudo=read; 步骤3的输入命令关键词：opt；由步骤2和步骤3的输入命令关键词构成了总的输入命令，即#B3LYP/ gen optpseudo=read。
由于Gaussian03程序的设计，在读取命令时必须使用关键词代码，以上代码即为命令值，B3LYP为方法，gen为混合基组，opt为几何结构优化命令，pseudo=read为读取混合计算命令。
步骤3）中判断Gaussian03程序运算得出的输出结果是否可靠的四个常数分别是指：Maximum Force（力的最大值），RMS Force（根均方力），Maximum Displacement（最大位移）， RMS Displacement（根均方位移）。计算结果需要这四个常数都显示“yes”。Gaussian03程序输出结果中的四个常数都达到“yes”，说明所计算的分子模型达到最稳定结构，即所计算的分子模型达到现实标准，计算结果可以同实验值相一致。
在上述各方案的基础上，步骤4）输出信息提取，从Gaussian03程序计算出的输出文件xx.log中提取出所述8种吸附体系模型中相对应的键长、键角、二面角及体系总能量等数据，上述数据必须从已经收敛结果的数据中提取。
Gaussian03程序计算产生输出文件为：xx.log。
通过计算得到的团簇体系结构的键长、键角、二面角、总能量的数据从xx.log中提取，需要收敛。只有计算结果收敛才能确保有较高的准确性。
在上述各方案的基础上，在步骤6）中，根据步骤5）总结出MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt吸附CO分子化学吸附性质的影响，从而预测出体系对CO是否具有吸附性及吸附能力的强弱程度，再依据理论值预测出吸附能力最佳的吸附体系。
过渡金属沉积在MgO表面对吸附CO有促进作用，通过两种不同的过渡金属沉积，可对其吸附性进行选择优化，为今后研发纳米吸附材料提供帮助。
本发明的有益效果：
本发明的目的是用密度泛函理论(DFT)计算以MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt吸附CO分子为体系模型的研究，为实验提供一定的理论基础，得出不同吸附体系的理论数据，总结出两种过渡金属吸附CO和不同氧原子缺陷位置上沉积过渡金属吸附CO的变化规律，尤其是体系吸附能的变化规律，可以为实验提供理论依据。
本发明有效地利用密度泛函理论（DFT）中#B3LYP/gen opt pseudo=read对A：Mg9O9/Au/CO吸附体系模型；B：Mg9O9/Pt/CO吸附体系模型；C：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型（MgO表面存在F5c位氧缺陷）；D：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型（MgO表面存在F5c位氧缺陷）；E：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型（MgO表面存在F4c位氧缺陷）；F：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型（MgO表面存在F4c位氧缺陷）；G：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型（MgO表面存在F3c位氧缺陷）；H：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型（MgO表面存在F3c位氧缺陷）等吸附体系模型进行结构优化，相比试验能够更快捷更准确的得到键长，键角，二面角，体系最低能量等输出信息，有效避免了其他物质的干扰，与试验值相比得到的数据更为准确，而且可以得到不同吸附体系相对应吸附能量的高低，预测中体系MgO纳米团簇表面沉积过渡金属对CO是否具有吸附性及吸附能力的强弱程度，再依据理论值预测出吸附能力最佳的吸附体系。通过计算方法预测出这些结论更为准确，在减少了时耗的同时更节约了经费开支，具有很大的优越性，对未来指导科学实验及材料研发方面起到了举足轻重的作用。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1 是本发明所选8种体系中Mg9O9/Au/CO和Mg9O9/Pt/CO吸附体系模型的结构图；
图2是本发明所选8种体系中Mg9O8/Au/CO（MgO表面存在F5c位氧缺陷）和Mg9O8/Pt/CO（MgO表面存在F5c位氧缺陷）吸附体系模型的结构图；
图3是本发明所选8种体系中Mg9O8/Au/CO（MgO表面存在F4c位氧缺陷）和Mg9O8/Pt/CO（MgO表面存在F4c位氧缺陷）吸附体系模型的结构图；
图4是本发明所选8种体系中Mg9O8/Au/CO（MgO表面存在F3c位氧缺陷）和Mg9O8/Pt/CO（MgO表面存在F3c位氧缺陷）吸附体系模型的结构图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种用密度泛函理论(DFT)预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt吸附CO分子化学吸附性质的方法，包括如下步骤：
1.吸附体系纳米团簇模型的选择：
选择下面8种吸附体系作为研究对象，
A：Mg9O9/Au/CO吸附体系模型；
B：Mg9O9/Pt/CO吸附体系模型；
C：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型（MgO表面存在F5c位氧缺陷）；
D：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型（MgO表面存在F5c位氧缺陷）；
E：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型（MgO表面存在F4c位氧缺陷）；
F：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型（MgO表面存在F4c位氧缺陷）；
G：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型（MgO表面存在F3c位氧缺陷）；
H：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型（MgO表面存在F3c位氧缺陷），
利用计算机GaussView5.0程序画出以上8种MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt吸附CO分子吸附体系的结构，参见图1-图4。由表1的吸附能量输出信息可知，这8种吸附体系结构的构象处于最低总能量状态时吸附CO分子的吸附能。
表1 八种不同吸附体系吸附CO分子吸附能量的输出信息
2.计算方法及基组的选择：选用密度泛函理论（DFT）中的B3LYP方法,即DFT/B3LYP；B3LYP方法是使用最广泛的泛函之一。关于基组的选择，由于Au、Pt原子的价电子是Au:5d10 6s1、Pt：5d9 6s1，采用Hay-Wadt赝势及双ξ极化基组（LANLDZ）；对于完美表面MgO表面吸附点周围的Mg原子和O原子，采用6-31G(d)基组；另外，对于存在氧缺陷的MgO表面，为了更好地描述缺陷位周围的电子，增加了弥散函数；对于被吸附分子同样采用了6-31G(d)基组。
3. 结构优化：根据步骤2）中所选用的计算方法和基组，使用关键词opt（optimization,优化），输入格式为#B3LYP/gen opt pseudo=read，然后用Gaussian03程序进行计算，直至所要求的四个常数完全收敛。
4．输出信息提取：从Gaussian03程序计算的xx.log(xx为名称)输出文件中提取出键长，键角，二面角，体系总能量等数据，必须从已经收敛的数据结果中提取，没有达到收敛标准的数据结果不可用。
5．根据4）提取出的信息，得出所述8种吸附体系相应的体系能量降低值即吸附能，总结出MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt吸附CO分子吸附体系中金属原子与碳原子之间键长变化的规律，尤其提取出吸附体系吸附CO分子吸附能量值，从而预测该系列吸附体系吸附CO分子吸附能力强弱的对比，为MgO纳米材料气态沉积过渡金属作为吸附材料吸附CO的研究提供理论依据，还可以判断该反应发生的难易程度。
6. 对于体系吸附能量的影响：随着MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属的不同以及MgO纳米团簇表面存在氧原子缺陷位置的不同，吸附能量依次降低，D：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型（MgO表面存在F5c位氧缺陷）； H：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型（MgO表面存在F3c位氧缺陷）； B：Mg9O9/Pt/CO吸附体系模型； F：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型（MgO表面存在F4c位氧缺陷）； G：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型（MgO表面存在F3c位氧缺陷）；C：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型（MgO表面存在F5c位氧缺陷）；E：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型（MgO表面存在F4c位氧缺陷）；A：Mg9O9/Au/CO吸附体系模型，这八种吸附体系的吸附能量依次为139.53 kal•mol－1、139.37kal•mol－1、119.49 kal•mol－1、107.86 kal•mol－1、82.41 kal•mol－1、37.65 kal•mol－1、33.95 kal•mol－1、25.13 kal•mol－1。可见，当MgO表面存在氧缺陷时，吸附能量越大。MgO表面沉积过渡金属Pt要比Au吸附CO吸附性强。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt吸附CO分子吸附性质的方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）纳米团簇模型的选择：
选择建立下面8种吸附体系模型作为研究对象，
A：Mg9O9/Au/CO吸附体系模型，
B：Mg9O9/Pt/CO吸附体系模型，
C：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型，其中MgO表面存在F5c位氧缺陷，
D：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型，其中MgO表面存在F5c位氧缺陷，
E：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型，其中MgO表面存在F4c位氧缺陷，
F：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型，其中MgO表面存在F4c位氧缺陷，
G：Mg9O8/Au/CO吸附体系模型，其中MgO表面存在F3c位氧缺陷，
H：Mg9O8/Pt/CO吸附体系模型，其中MgO表面存在F3c位氧缺陷；
2）计算方法和基组的选择：
选用密度泛函理论中的B3LYP方法，有关于基组的选择如下，由于Au、Pt原子的价电子是Au:5d10 6s1、Pt：5d9 6s1，采用Hay-Wadt赝势及双ξ极化基组；对于完美表面MgO表面吸附点周围的Mg原子和O原子，采用6-31G(d)基组；另外，对于存在氧缺陷的MgO表面，增加弥散函数；对于被吸附分子同样采用6-31G(d)基组；
3）结构优化：
根据步骤2）中所选用的计算方法和基组，使用关键词opt，提交计算作业，启动Gaussian03程序对所提交的计算作业进行运算，直到所要求的四个常数完全收敛，计算机运算结束并得到输出文件；
4）输出信息提取：
在完成对8种不同吸附体系的结构优化之后，从Gaussian03软件计算的输出文件中提取出关于所述8种吸附体系的最低能量值；
5）根据步骤4）提取出的信息，得出所述8种吸附体系相应的体系能量降低值即吸附能，总结出所述8种不同吸附体系的吸附能大小变化的规律；
6）预测该系列各吸附体系中MgO表面气态沉积过渡金属Au、Pt对CO分子吸附能力的大小和吸附可行性的判断。
2.根据权利要求1所述的预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt原子吸附CO分子吸附性质的方法，其特征在于：步骤1）的所述纳米团簇模型结构的构象处于能量最低状态。
3.根据权利要求1所述的预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt原子吸附CO分子吸附性质的方法，其特征在于：步骤1）中所述8种吸附体系模型的结构均是使用GaussView5.0程序画出。
4.根据权利要求1所述的预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt原子吸附CO分子吸附性质的方法，其特征在于：步骤3）的输入命令为#B3LYP/ gen opt pseudo=read。
5.根据权利要求1所述的预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt原子吸附CO分子吸附性质方法，其特征在于：步骤4）中的输出信息提取，从Gaussian03程序计算出的xx.Log输出文件中提取出所述8种吸附体系模型中相对应的键长、键角、二面角及体系总能量数据，上述数据必须从已经收敛结果的数据中提取。
6.根据权利要求1所述的预测MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt原子吸附CO分子吸附性质方法，其特征在于：根据步骤6）的总结出MgO纳米团簇表面气态沉积过渡金属Au、Pt对CO分子吸附的吸附性质的影响，从而预测出体系对CO是否具有吸附性及吸附能力的强弱程度，再依据理论值预测出吸附能力最佳的吸附体系。
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