2 计算方法
使用CASTEP软件[6]进行计算,计算中选用基于Vanderbilt型的超软赝势[7]和平面波扩散波函数。平面波的截断能为300 eV。交换关联函数采用广义梯度近似(GGA-PBE)。系统总能量和电荷密度在Brillouin 区的积分计算使用Monkhorst-Pack方案选择k点确保总能量收敛。在对模型的结构优化中,采用BFGS 算法[8],原子间相互作用力的收敛标准设为0. 05 eV / Å,单原子能量的收敛标准设为2.0×10-5 eV/atom,原子最大位移收敛标准设为2×10-3 Å。
计算模型采用具有周期性边界条件的平板(slab)模型。选用含有48个Al原子的4 × 4 × 3超晶胞模型研究Al(110)面与水分子相互作用。层面上真空层厚度沿c轴方向为16Å。
为验证所选方法的正确性,对晶胞铝和水分子进行了试验性计算。对于晶胞铝,在计算中,选取Mesh参数为12×12×12 Å,布里渊区域56个不可约k点。为确定Al晶胞的平衡参数,统一了晶格向量。并把能量计算作为晶胞体积的函数。计算得到的Al晶胞常数在截断能为300eV和400 eV时都为4.050 Å,这个数值与实验值一致[9]。由此推断,晶胞结构在截断能为300 eV已很好地收敛。表明所选用的赝势波函数能够很好地再现铝晶体的结构性质。在同样条件下,将水分子置于与Al平板相同大小的箱子中进行优化,得到OH键长为0.976 Å,键角为104.7°。也与实验值:0.96 Å 和
104.4°接近。
相应的吸附能(Eads)根据下式计算:
Eads = E(adsorbate/slab)−[E(adsorbate) + E(slab)] (1)
其中,E(adsorbate /slab)为水分子或其分解产物被Al平板吸附的总能量,E(adsorbate)为单个气相水分子的能量,E(slab)为清洁Al平板总能量。因此,负的Eads表示吸附过程为放热过程,反之为吸附过程。
过渡态计算利用线性同步联合二次同步过渡方法(LST/QST)。这种方法利用了一个连接反应物、产物及过渡态结构的二次插值计算法,经过循环往复最后收敛于过渡态的几何点上。通过振动频率分析确认过渡态结构及稳定结构。过渡态收敛标准:每个原子力的均方根偏差为0.25 eV/ Å。活化能由下列公式计算:文献综述
Ea = ETS − Ereact (2)
ETS 为过渡态能量,Ereact为反应物总能。
3 结果与讨论
根据铝表面形貌可知,Al(110)表面上有五种类型的吸附位置:顶位(t)、短桥位(b)、长桥位(lb)、由表面组成最小矩形的的四个铝原子所在面(h)、由二个面上位于短桥端的铝原子和第二层位于h面心下的一个铝原子组成的面(h2)