摘 要：用第一性原理调查了H2O的在Al（100）面上的吸附和解离。结果发现，水优先吸附在顶部，吸附过程为一自发过程。H2O的分解分为两步，第一步是H2O（ad）→OH（ad）+ H（ad），第二步是OH（ad）+ H（ad）→O（ad）+ H2（g）。第一步、第二步分解最低活化能分别为0.544 eV和1.044 eV， 分解反应均为放热反应，表明水在Al(100)表面易发生分解反应。分波态态密度（PDOS）显示，H2O吸附于铝表面主要由水分子上O原子的孤对电子部分填空到铝表面铝原子的空轨道中。64077

毕业论文关键词：Al(100)，水分解，反应机理，第一性原理

Abstract: First-principles was conducted to investigate the adsorption and dissociation of H2O on Al(100) surface. It was found that H2O adsorbed preferentially at top sites. The adsorption process was a spontaneous process. There are two steps for H2O decomposition, the first step is H2O(ad)→OH(ad) + H(ad) and the second step is OH(ad) + H(ad)→O(ad) + H2(g). The barriers of the first and second steps are 0.544 eV and 1.044 eV, recespectively. The partial electronic density of states (PDOS) showed the fact that H2O interacts with the surface primarily through the O atom.

Keywords: Al(100) surface, Water decomposition, Reaction Mechanism, First-principles

1 引言 4

2 计算方法 4

3 结果与讨论 5

3.1 H2O分子的吸附，OH/H和O/H2在Al（100）表面上的共吸附 5

3.1.1 H2O分子的吸附 5

3.1.2 OH和H在A1表面吸附 6

3.1.3 O和H2在铝表面的吸附 7

3.2 H2O、OH和O的电子特性 7

3.3 分解反应途径 9

结论 11

参考文献 12

致谢 13

1 引言

水、金属燃料由于燃烧热值高受到国际社会的普遍关注。铝密度大, 耗氧量低, 有较高的燃烧热，燃烧产物无毒性，能显著提高推进剂比冲, 因此是目前固体推进剂中最常用的金属燃烧剂[1-3]。另外，铝也被考虑用于核反应堆和水下爆炸物中[4-5]。

然而, 铝粉在实际燃烧中是一非均相燃烧过程[6-7]，反应速度慢并且有许多因素影响了反应进程。为此，许多科研工作者对Al/H2O反应性能进行了大量的实验研究。例如，对铝粒型貌与大小对燃烧效率的影响[8-9]、压力对燃烧性质的影响[10]、活化铝粉对燃烧的影响[11-12]等等进行了大量研究。Li等人研究了一个铝原子与一个水分子反应的机理，指出这两个粒子间的反应可能有三种类型的反应途径。

本文利用周期性密度泛函理论计算水在Al(100)面的吸附与分解过程、能量变化及反应机理，该方法模拟真实反应环境，能更好地探索反应过程。同时也计算了水分解产物OH和H的共吸附，OH的分解情况，探讨了OH的分解途径及反应能量变化。

2 计算方法

本节使用CASTEP软件进行计算，计算中选用基于Vanderbilt型的超软赝势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，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。