BAND Highlight:费托反应研究最新进展(Nature Comm.,2019)

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文献资料:Jingxiu Xie, Pasi P. Paalanen, Tom W. van Deelen, Bert M. Weckhuysen, Manuel J. Louwerse & Krijn P. de Jong, Promoted cobalt metal catalysts suitable for the production of lower olefins from natural gas, Nature Communications, volume 10, Article number: 167 (2019)

近年来,由于天然气产量激增,化学原料需求向较轻的碳氢化合物,特别是甲烷转移。合成气(CO和H2)转化的效率,关键取决于催化剂对甲烷和二氧化碳产生的抑制能力。本文作者设计了一种Co/Mn/Na/S催化剂,该催化剂的水-气转换活性可以忽略不计,烃的产物谱也偏离了Anderson-Schulz-Flory分布。在240 °C和1 bar压强下,C2-C4烯烃选择性为54%。10 bar压强下,低碳烯烃和燃料的选择性分别为30%和59%。该催化剂由直径约10 nm的处于hcp金属相Co纳米颗粒组成。作者认为Na与S在Co表面作为电子促进剂,产生协同效应,从而提高了对低碳烯烃与燃料的选择性,同时也大大减少了甲烷和二氧化碳的生成。

文中使用AMS软件中的BAND模块计算了Na2S和Na2O在Co(0001)表面的成键结构。Na2O(图a)与Na2S(图b)在Co表面的结合方式非常相似。只不过O原子在一个亚表面钴原子上方,而S原子在一个空位上方。原包外的原子由较小的球表示,蓝色表示Co,橙色表示Na,黄色表示S,红色表示O。

由于此处研究的是表面吸附,因此使用了色散修正泛函rPBE-D3。其他参数:

  • 基组:TZP与Small冻芯基组
  • Numerical Quality:Normal
  • k-space:Good
  • SCF收敛阈值:5 × 10−4 Hartree
  • 结构优化梯度阈值:0.001 Hartree/Å

单胞的晶格常数也进行了再优化,得到了a = 2.43 (实验2.51 )和c = 3.91 (实验4.07 )。(0001)面厚度为6原子层,约为12Å ,底部两层原子被冻结,并使用最小基组SZ,大冻芯,Numerical Quality:设置为Basic。表面原包包含4 × 4个原子。为不同区域的原子,设置不同基组,参考中文教程:对同一种元素的不同原子指定不同基组

BAND作为新兴第一性原理计算软件,在材料化学领域具有非常鲜明的特点:

  1. 由于BAND中的表面模型为真实的二维模型,因此不再需要人为地添加真空层,也不需要进行偶极矫正,对表面吸附计算的可靠度与效率高于平面波程序。
  2. 擅长成键分析,例如表面成键的键能分析(pEDA)、共价键成键机理研究(NOCV),参考案例:硅表面醚吸附-计算表面化学与分子计算化学共同点的最佳案例(Angew. Chem. Int. Ed., 2017)
  3. 分析能带与化学键的关系(Crystal Orbital Overlap Population),参考案例:金属卤化物钙钛矿中成键“镜像”现象的研究(JACS, 2018)
  4. 外加均匀磁场
  5. 不依赖于赝势,计算元素周期表中所有元素