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若干表面吸附及催化体系的第一性原理研究
随着工业技术的发展和人们对环境保护的重视，表面吸附和催化作用的研究已变得越来越重要。表面吸附和催化机理的解析有助于我们理解这些反应的本质和影响因素。在本文中，我们将探讨若干表面吸附和催化体系的第一性原理研究。
表面吸附是指分子或离子在固体表面吸附并与表面原子或分子相互作用的现象。表面吸附的过程包括吸附前和吸附后两个过程。在吸附前，分子或离子首先与表面相互作用，也就是达到表面的键合半径。在吸附后，分子或离子继续在表面扫描，到达某个能量最低点并保持稳定状态。表面吸附不仅在催化作用中起着至关重要的作用，而且在气体吸附、半导体制造、膜分离、生物分子识别等领域都有广泛的应用。
作为表面化学的分支，催化化学已经成为工业生产中不可或缺的一部分。催化剂可以降低活化能，促进化学反应的发生，提高反应速率和选择性。催化体系包括气相催化、液相催化、异相催化和酶催化。非常经典的催化反应有氮氧化物的还原和氢氧化物的氧化反应。在纳米科技的背景下，催化材料的革新显得十分重要。
第一性原理研究是用于计算分子系统本征性质的一种方法。它不依赖于实验数据或任何经验参数，而是基于量子化学理论构建体系的电子结构并计算其稳定状态。第一性原理研究可以预测分子的几何结构，各种分子区域的电子分布、晶格常数、光学性质和振动谱等。在表面吸附和催化体系的第一性原理研究中，对杂原子和吸附分子的位置、键合、能量及反应机理等方面展开研究。它们的目的是分析反应机理，优化催化体系，从而提高反应速率和选择性。
在金属吸附和催化的研究方面，铜、银、铝、镁、铁、镍和铂是用的比较多的金属。例如，Bhatia等[1]研究了铜单原子和Cu_{n}团簇在氧化石墨烯(oxygenatedgraphene)上的吸附作用。他们发现，铜无论是以单原子还是团簇形式存在，氧化石墨烯都可以有效地吸附铜。Cu单原子更有可能处于金属状态，而不是O-Cu-O键态。它们还进一步研究了Cu团簇和氧化石墨烯之间的相互作用，对Cu团簇的吸附和Cu-O-C键的形成进行了详细的分析。他们发现，Cu团簇的大小影响其吸附行为，导致其被输运到不同的位置；而Cu-O-C键的形成可以有效地减弱氧化石墨烯上Cu原子的吸附能。
在微孔和介孔催化体系的研究方面，硅材料是重要的体系，其中孔径可以被设计为特定的大小，以提高选择性和反应率。Zhao等[2]研究了若干典型分子的吸附在介孔硅表面的情况。他们的研究表明，表面原子的不同影响着分子的吸附、构象和能级的体现。在表面上存在三个不同排列方式的硅原子，然后他们以这些不同设定，模拟了若干典型分子的吸附情况，发现其吸附方式和插层态的位置显著不同。这种插层态的位置和能级，可能对催化反应的发生具有显著的影响。
小结起来，表面吸附和催化在化学领域中扮演着至关重要的角色。第一性原理研究可以识别分子的吸附构象、键合和能量，对于优化催化体系具有重要作用。对于金属的吸附和催化，重要的金属有铝、铜、银、镁、铁、镍和铂。对于介孔硅体系，表面原子不同排列方式影响着分子的吸附，此工作有助于预测催化剂的性质和应用。相信随着计算机性能的进一步提高，第一性原理方法的应用将变得更加广泛和深入。