楊金龍

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室，合肥230026)

?

水在金屬表面解離吸附的全維量子動力學(xué)

楊金龍

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室，合肥230026)

［Highlight］

www.whxb.pku.edu.cn

分子在金屬表面解離吸附的動力學(xué)研究在多相催化等工業(yè)過程中占有重要的地位。在過去的20多年里，科學(xué)家們?yōu)榘l(fā)展可靠的理論來精確描述分子在固體表面的解離吸附動力學(xué)付出了巨大的努力1－6。由于反應(yīng)中可能存在的量子效應(yīng)，如量子隧穿、零點(diǎn)能、反應(yīng)共振等，量子動力學(xué)研究是最為可靠的。但是由于高維量子動力學(xué)研究的困難，以往精確的量子動力學(xué)理論只局限于研究雙原子分子在固體表面解離吸附這類包含六個自由度的問題1－4,7。

水在過渡態(tài)金屬表面的解離吸附是多相催化過程，如水煤氣變化和蒸氣重整反應(yīng)中重要的一步，因此其研究具有重要意義。由于這個體系包含9個自由度，以往的研究只能利用減維量子模型把體系的自由度限制在6個4,5,8。今年初，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所傅碧娜和張東輝研究團(tuán)隊(duì)首次利用7維量子動力學(xué)方法研究H2O在Cu (111)表面的解離吸附動力學(xué)9，發(fā)現(xiàn)7維量子動力學(xué)結(jié)果和之前的6維結(jié)果相差很大，說明表面減維模型在描述此類反應(yīng)時會帶來較大的誤差，因此更加凸顯全維量子動力學(xué)研究的必要性。

最近，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所傅碧娜和張東輝研究團(tuán)隊(duì)在他們自己擬合的全維全域勢能面上成功在全維(9維)水平計(jì)算了H2O在Cu(111)表面的解離吸附幾率，從而首次實(shí)現(xiàn)了一個三原子分子在金屬表面反應(yīng)的全維量子動力學(xué)研究。他們的研究發(fā)現(xiàn)全維量子解離幾率與以往用減維模型得到的結(jié)果相差很大，證明只有全維量子計(jì)算才能精確描述此類反應(yīng)。相關(guān)工作最近發(fā)表在Nature Communications雜志上10。全維量子動力學(xué)還揭示了H2O的不同振動模式激發(fā)比平動能都能更有效地促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生，并且效率明顯要比減維模型得到的更為顯著。該全維量子動力學(xué)研究也驗(yàn)證了該研究團(tuán)隊(duì)之前在雙原子分子-表面散射中所發(fā)展的質(zhì)心位點(diǎn)平均方法的準(zhǔn)確性，表明該方法能廣泛應(yīng)用到多原子分子在金屬表面的解離吸附動力學(xué)研究中，從而為精確模擬多原子分子-表面反應(yīng)提供了一個重要的理論方法。

References

(1)Kroes,G.J.;Baerends,E.J.;Mowrey,R.C.Phys.Rev.Lett. 1997,78,3583.doi:10.1103/PhysRevLett.78.3583

(2)Kroes,G.J.Science 2008,321,794.doi:10.1126/ science.1157717

(3)Díaz,C.;Pijper,E.;Olsen,R.A.;Busnengo,H.F.;Auerbach,D. J.;Kroes,G.J.Science 2009,326,832.doi:10.1126/ science.1178722

(4)Jiang,B.;Ren,X.;Xie,D.;Guo,H.Proc.Natl Acad.Sci.U.S. A.2012,109,10224.doi:10.1073/pnas.1203895109

(5)Hundt,P.M.;Jiang,B.;van Reijzen,M.E.;Guo,H.;Beck,R. D.Science 2014,344,504.doi:0.1126/science.1251277

(6)Farjamnia,A.;Jackson,B.J.Chem.Phys.2015,142,234705.doi:10.1063/1.4922625

(7)Kroes,G.J.;Díaz,C.Chem.Soc.Rev.2016,doi:10.1039/ C5CS00336A

(8)Jiang,B.;Yang,M.;Xie,D.;Guo,H.Chem.Soc.Rev.2016, doi:10.1039/C5CS00360A

(9)Liu,T.;Zhang,Z.;Fu,B.;Yang,X.;Zhang,D.H.Chem.Sci. 2016,7,1840.doi:10.1039/c5sc03689e

(10)Zhang,Z.;Liu,T.;Fu,B.;Yang,X.;Zhang,D.H.Nat. Commun.2016,7,11953.doi:10.1038/ncomms11953

10.3866/PKU.WHXB201607151