摘  要：应用密度泛函理论研究了水在Al(111)表面的吸附与分解机理。水分子分解分两步：第一步由吸附水分子分解生成OH和H原子，分解产物共吸附于铝表面。第二步表面吸附的OH和H作用生成氢气与O，H2逸出表面，O原子吸附于铝表面。计算发现，水分子易吸附于顶位铝原子上，吸附过程为一自发过程。计算水分解途径发现，水在Al(111)面第一步分解的最低活化能分别为19.80kJ/mol，第二步分解的最低活化能分别为57.52kJ/mol。所有反应历程中所需活化能均低于分解放出的热量。表明水在铝表面易发生分解反应。 64086

毕业论文关 键 词： Al(111)面，水分解，反应机理，密度泛函理论

Abstract: The density functional theory was conducted to investigate adsorption and decomposition of water on the Al(110) surface. 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). It is found that H2O adsorbed preferentially at top sites. The adsorption process is a spontaneous process. In the most stable configuration of OH and H coadsorption, the OH group and H are coadsorbed on two neighbor bridge sites arrayed in a line. In the most stable configuration of O adsorption, O atom is adsorbed on threefold hollow site. The barriers of first and second are 19.80kJ/moland 57.52kJ/mol, respectively. All reactions are found to have low energy barriers and to be highly exothermic. These reveal that the decomposition of H2O on Al surfaces is a readily process.

Keywords: Aluminum surface, Water decomposition, Reaction Mechanism, Density functional theory

1  前言` 4

2  计算方法 4

3  结果与讨论 5

3.1  H2O分子在铝（111）面的吸附，OH/H共吸附和及O/H2共吸附 5

3.1.1  H2O分子的吸附 5

3.1.2  OH和H共吸附 6

3.1.3  O和H2吸附 7

3.2  吸附的H2O、OH和O的电子性质 8

3.3  分解反应路径 10

结论 14

参考文献 15

致谢 16

  金属/水反应放出大量的热,可满足高速推进器对能量的需要，因而采用金属/水反应作为能源推进系统，作为极具前途的动力系统,受到国内外研究者的高度关注(1)。铝由于贮存量丰富、适当的反应活性及其生成的反应产物对环境无污染、无毒等特点被认为是最具有利用价值的金属。

因为铝水燃烧反应过程较为复杂，涉及多个反应步骤(2) 。例如：固态铝的燃烧、固态铝转化成液态及气态铝、气相产物转化成液相或固相产物、氧化薄膜的生成与破坏等。反应速率及效率均有待提高。为此，科研工作者已经投入了大量的精力来研究燃烧性质。例如：Risha 等(3)研究了金属铝粉与水的燃烧反应，发现 Al/H2O 燃烧性能与铝粉被氧化的难易程度相关，改变水的聚集状态（凝相或气相）不影响金属的氧化程度(4)。

本文利用周期性密度泛函理论计算水在Al(111) 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。