《水分子在金屬表面解離吸附動力學的理論研究》是依託中國科學技術大學，由蔣彬擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：水分子在金屬表面解離吸附動力學的理論研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：蔣彬
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
水分子在金屬表面的解離吸附反應，是許多工業過程（如甲烷蒸汽重整化制氫和水煤氣變換反應等）中的關鍵步驟。同時，它作為多原子分子解離吸附一個代表性的範例，是研究表面反應中振動模式特異性、鍵選擇性、立體動力學等重要動力學特徵的理想模型，具有重要的學術價值。本項目擬從第一性原理出發，在量子態分辨水平上深入研究水分子在金屬表面的吸附和解離動力學。我們將構建高精度的高維勢能面，結合高維的量子波包動力學和準經典軌線方法，全方位地探索水在緊密堆積表面Ni(111)和台階表面Pt(110)-(1×2)上的解離吸附動力學，著重研究分子振轉態激發和不同入射角度對反應的作用以及有趣的立體動力學；通過系統的比較兩種表面上的動力學行為，從理論上提供水分子解離吸附前所未有的反應細節，並與國際領先的表面動力學實驗組緊密合作，建立水分子在金屬表面解離吸附反應的定量模型，為理解包含水分子的複雜多相催化反應提供理論基礎。
結題摘要
水分子在金屬表面的解離吸附反應，是許多工業過程（如甲烷蒸汽重整化制氫和水煤氣變換反應等）中的關鍵步驟。同時，它作為多原子分子解離吸附一個代表性的範例，是研究表面反應中振動模式特異性、鍵選擇性、立體動力學等重要動力學特徵的理想模型，具有重要的學術價值。本項目從第一性原理出發，在量子態分辨水平上深入研究水分子為代表的多原子分子在金屬表面的吸附和解離動力學。我們發展了適用於多原子分子-表面體系的神經網路勢能面擬合方法和高維的量子波包動力學計算算法和程式，首次計算了H2O分子轉動激發態和不同取向準九維的解離幾率，預測了清晰的立體動力學效應。我們模擬了H2O在Cu(111)面態到態的量子散射幾率，發現從反對稱伸縮振動態(ν3)到對稱伸縮振動態(ν1)的模式特異的分子內振動能量重分配現象，分支比ν1/ν3~100%，其背後的物理機制來源於分子內伸縮振動與反對稱伸縮振動模式之間在接近表面時被誘導為局域振動模式的強耦合作用。我們還將研究拓展到更大的多原子分子，例如，構建了具有化學精度的CH4+Ni(111)體系15維勢能面，定量重複了實驗在一系列高平動能下測定的基態和激發態解離幾率；構建了CH3OH+Cu(111)體系的18維勢能面，發現分子中O-H，C-H，C-O鍵的伸縮振動能夠顯著地促進對應化學鍵的解離，表現出明顯的模式特異性和鍵選擇性。由於C-O伸縮振動極高的振動效率，這一模式的高激發態可以逆轉C-O/C-H解離分支比例。我們還利用原子中心神經網路方案構造了表面原子自由度的勢能面，實現從頭算分子動力學模擬同等的精度但提升計算速度上萬倍，很好地描述了HCl分子在Au(111)散射的振動能量損失和CO2在Ni(100)面散射中的多原子分子態態散射幾率。綜上，我們從理論上提供了水分子解離吸附前所未有的反應細節，建立了水分子在金屬表面解離吸附反應的定量模型，為理解包含水分子等多原子分子的複雜多相催化反應提供理論基礎。
