双金属纳米团簇平衡结构的遗传算法研究
近年来，双金属纳米团簇催化剂作为一种重要的新型非均相催化剂，因其与传统体相合金催化剂截然不同的光学，电子，结构以及化学催化等方面独特的物理化学性质，和其与传统催化剂相比更加优异的活性，选择性与寿命，使得双金属纳米团簇在化工生产，新能源开发，环境保护等领域得到了广泛的运用。因此，双金属纳米团簇催化剂享有“第四代催化剂”的美誉，其研究前景值得期待。 时下双金属纳米团簇研究的重点之一是将具有较高催化活性的贵金属与成本低廉的过度金属合金化来制得拥有更加优秀性能的双金属纳米团簇催化剂。一方面，不同金属之前的协同作用可以改变纳米金属团簇的表面结构，增加表面活性中心，可以有效地提高金属纳米团簇催化剂的催化活性;另一方面，合金化将使金属纳米团簇的性能更加复杂多样化，通过调控合金纳米团簇的组成，尺寸，结构以及原子分布等因素，可以得到许多具有独特优良特性的合金纳米团簇，这对于合金纳米团簇运用领域的扩张十分有利。另外，使用廉价的过渡金属取代成本高昂的贵金属可以有效的降低合金纳米团簇催化剂的成本，有效的推进合金纳米团簇的工业运用。 在对团簇的研究中，确定团簇的基态结构是研究的基础环节，也是所有对团簇深度研究的基石，发现纳米团簇的稳定结构对制备金属纳米团簇催化剂和研究其物理化学性质具有非常重要的意义。然而，由于团簇的纳米尺度以及其结构性能的复杂多变，想要通过直接的实验方法来研究纳米团簇的结构依旧存在许多困难。因此，通过模拟研究来探明团簇尺寸，组成等特性与其结构性能间的内在联系，并通过模拟得出的构-效关系理论成果来筛选可用的双金属纳米团簇以指导实验制备，是团簇研究的必要环节。 本文筛选了Pt-Ni，Pd-Rh以及Pt-Co这三种时下较为热门的双金属纳米团簇，并采用基于Gupta势能函数的遗传算法对不同尺寸和组成的Pt-Ni，Pd-Rh，Pt-Co纳米合金的平衡结构进行研究。我们深入探寻了Pt-Ni，Pd-Rh，Pt-Co合金团簇的尺寸，组成，混合度等因素与合金团簇结构稳定性，对称性之间的内在联系，并得出了以下几点重要结论: (1)对于不同尺寸(38，55，147，309)和组成的Pt-Ni双金属纳米团簇有以下结论:a.Pt-Ni合金纳米团簇倾向于形成Pt，Ni原子相互混合的ICO结构。b.不同尺寸下的Pt0.55Ni0.45纳米合金团簇均具有最稳定的平衡结构。纳米合金团簇Pt0.55Ni0.45的核心被Ni原子占据，而外壳则被Pt和Ni原子共同占据。c.随着Pt-Ni合金团簇组成向Ni％=0.45趋近，团簇中Pt，Ni原子将由分离态转变为混合态，团簇中Pt-Ni合金键数量单调增加，合金团簇的结构稳定性和点群对称性得到增强。 (2)对于不同尺寸(38，55，79，147)和组成的Pt-Co双金属纳米团簇，结论如下:a.Pt-Co合金纳米团簇倾向于形成混合态的平衡结构，且其平衡结构受团簇组成，尺寸的影响较大。b.不同尺寸下的Pt0.5Co0.5纳米合金团簇均具有最稳定的平衡结构。c.随着Pt-Co合金团簇组成向Pt0.5Co0.5趋近，团簇中Pt，Co原子将由分离态转变为混合态，合金团簇的结构稳定性增强。d.Pt-Co纳米合金团簇中Pt-Co合金键所占的比例随着团簇合金化程度提高而上升。当Pt-Co纳米团簇合金化程度较高时，Pt-Co合金键为Pt-Co合金团簇中原子间的主要作用力，其占合金团簇中总金属键的比例高于0.6。 (3)对于不同尺寸(38，55，79，147)和组成的Pd-Rh双金属纳米团簇而言:a.Pd-Rh合金纳米团簇结构较为复杂，且会受合金团簇组成与尺寸影响而变化。b.在Pd-Rh合金团簇中，Pd原子首先占据团簇表面各项点，之后占据表面和次表面，最后占据核心;而Ni原子则按团簇核心-次表面-表面的顺序进行占据，Pd-Rh合金团簇倾向于形成Pd壳Rh核的核壳式结构。c.不同尺寸下的最稳定Pd-Rh纳米合金团簇表现为核心被Rh原子占据，而Pd原子占据合金团簇各个顶点的平衡结构。d.在Pd-Rh合金团簇中Pd，Rh原子合金化过程中，团簇中Pd，Rh原子基本处于相互分离状态，38和55原子的Pd-Rh合金团簇中原子最终形成无序混合，合金团簇的结构稳定性将随着团簇中原子混合而得到增强。e.结构相对稳定性较高的Pd-Rh合金团簇往往点群对称性较好。 本文系统的研究了Pt-Ni，Pd-Rh，Pt-Co三种时下常见的双金属纳米团簇的平衡结构及其构-效关系，并对影响团簇结构稳定性的因素进行了总结归纳，得到了一些极具价值的理论成果，这对认识团簇结构与性质，指导双金属纳米团簇实验制备有着重大意义。
双金属纳米团簇;平衡结构;遗传算法;结构稳定性
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
程道建
2019
中文
O643.36
2019-10-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）