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2023年1月1日发(作者:中法网校)

2019年6月

第38卷第2期

内蒙古科技大学学报

JournalofInnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology

June,2019

Vol.38,No.2

文章编号:2095-2295(2019)02-0113-04 DOI:10.16559/j.cnki.2095-2295.2019.02.003

Zr掺杂对CeO

(111)表面空位形成及

电子结构的影响

贾慧灵1,邹春阳1,吴锦绣2,李 梅2

(1.内蒙古科技大学机械工程学院,内蒙古包头 014010;2.内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头 014010)

关键词:Zr掺杂;氧空位;电子结构;态密度

中图分类号:O411.2 文献标识码:A

摘 要:利用VASP软件,采用第一性原理的

DFT+U

方法计算了Zr掺杂前后CeO

(111)表面结构、氧空位形成能

以及电子结构的变化研究表明:Zr掺杂中心附近,表层Ce,O原子发生较大弛豫,Zr的掺杂明显降低了

CeO

(111)表面的氧空位形成能,表明对其态密度无明显的影响Zr掺杂前后的还原体系态密度图均在靠近费密

能级左侧出现1个间隙态,表明有Ce4+被还原为Ce3+

EffectofZrdopingonvacancyformationand

electronicstructureofCeO

(111)surface

JIAHuiling1,ZOUChunyang1,WUJinxiu2,LIMei2

(1.MechanicalEngineeringSchool,InnerMongoliaUniversityofScienceandTechnology,Baotou014010,China;2.Materialsand

MetallurySchool,InnerMongoliaUniversityofSciencesandTechnology,Baotou014010,China)

Keywords:Zrdoping;oxygenvacancy;electronicstructure;densityofstates

Abstract:Thesurfacestructure,oxygenvacancyformationenergyandelectronicstructureofCeO

(111)beforeandafterZrdoping

werecalculatedbyfirstprinciplesDFT+

methodusingVASPsoftware.ItisfoundthattherelaxationofCeandOatomsoccurednear

theZrdopingcenter,andtheoxygenvacancyformationenergyonCeO

(111)surfacewasobviouslyreducedbyZrdoping,butithad

noobviouseffectonthestatedensity.ThedensitiesofthestatesofthereductionsystembeforeandafterZrdopingshowagapstate

neartheleftFermilevel,indicatingthatCe4+isreducedtoCe3+.

相比于传统的氧化物抛光材料,CeO

的抛光效

率更高、使用寿命更长,是化学机械抛光材料中非常

有价值的一种抛光材料随着科技的发展,对高精

度产品的需求日益迫切,然而传统的CeO

抛光粉

现在已经不足以满足这种高精度要求,因此近些年

来越来越多的研究人员致力于CeO

抛光性能改良

的研究胡建东等[1]制备了亚微米级超细CeO

ZrO

复合氧化物;郝仕油等[2]以硝酸铈锆为原料、

氨水作沉淀剂制得超细CeZrO粉末;傅毛生等[3]

制得超细Ce

0.8

Zr

0.2

磨料;徐招弟等[4]采用水热合

成法制得Ce

0.5

Zr

0.5

纳米粉体;BAKKIYARAJ

等[5]制得晶粒尺寸更小,形状为均匀的小球状Zr掺

杂CeO

纳米粒子从上述实验均发现Zr使得抛光

粉的粒度减小且粒径分布均匀,抛光液悬浮稳定性

提高,团聚程度减弱此外,CHEN等[6]通过水热法

制得Zr掺杂的CeO

纳米管;BAKKIYARAJ等[5]制

收稿日期:2019-03-24

基金项目:内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2018MS02016).

作者简介:贾慧灵(1976-),女,内蒙古包头人,内蒙古科技大学副教授,博士,研究方向为稀土氧化物材料制备.

通讯作者:邹春阳(1994-),男,吉林吉林人,内蒙古科技大学硕士研究生.

内蒙古科技大学学报2019年6月 第38卷第2期

得Zr掺杂的CeO

纳米粒子;SUGIURA[7]制得

CeO

ZrO

固溶体他们研究发现Zr掺杂使得

CeO

化学活性和催化活性显著增强

上述实验表明:Zr的掺杂可以提高CeO

的抛

光性能,但对于其具体的作用机理,以及对微观结构

的影响尚不明确本文采用基于密度泛函理论的第

一性原理,计算并分析了Zr掺杂对CeO

(111)表面

结构和电子结构的影响

1 计算方法及模型

利用基于密度泛函理论的从头算量子力学程序

VASP计算了Zr原子掺杂对CeO

(111)表面的电子

结构及空位形成的影响计算过程中,把

Ce4f5s5p5d6s,O2s2p和Zr4p4d5s电子组态作为

价电子,采用投影缀加平面波PAW(projectoraug

mentedwave)方法描述芯电子与价电子之间的相互

作用,电子交换关联势采用广义梯度近似法GGA

(generalizedgradientapproximation)中的PBE(Per

dewBurkeErnzerhof)泛函考虑到Ce为稀土元素,

其4f电子具有高度局域及强关联效应,标准的DFT

方法对4f电子间相互作用描述不足,因此,引入

HubbardU参数(即DFT+U方法)经计算验证:

本文选取U=45eV,与文献[8,9]一致布里渊区采

用MonkhorstPack方法选取大小为5×5×1的k点

网格,原子结构弛豫优化时的电子和离子收敛精度

分别设定为10-4eV和10-3eV,平面波展开的截断

能ENCUT为440eV

用PBE+U的计算方法对CeO

体相材料初始

晶胞结构进行优化计算,算得其晶格常数为5482×

10-10m,与实验值(5411×10-10m)[10,11]及其他

人[12,13]的计算结果相符由于CeO

的(111)表面

是最稳定的低指数面[14],因此本计算采用P(2×2)

的超晶胞表面结构模型,模拟CeO

(111)表面如图

1(a)所示以CeO

为衬底,表面以氧原子终止,在

Z方向上建立9层结构,上方1~6层原子松弛,下

方7~9层原子固定(图1(a)虚线框中原子),并在

顶端增加15×10-10m的真空层在图1(b)中还标

识出了Ce,O原子在CeO

(111)表面吸附的5个不

同的高对称位置

O

为表面氧顶位;Ce

bri

为表面铈

桥位;O

为表面氧三度位(也是次表面氧顶位);O

bri

为表面氧桥位;Ce

为表面铈顶位

图1 弛豫后CeO

(111)表面模型

Fig.1 SurfacemodelofCeO

(111)afterrelaxation

(a)侧视图;(b)俯视图

对初始结构进行优化计算,弛豫后CeO

(111)

表面的表层Ce—O键键长为2369×10-10m,比底

层的Ce—O键长2374×10-10m稍有缩短Ce原

子层间距几乎不变,但氧原子层间距(如图1(a)中

D所示)减少了0040×10-10m,与YANG[12]的结果

相同弛豫后表面其余原子只发生微小移动,基本

保持初始对称结构

2 结果及讨论

2.1 Zr掺杂对CeO

(111)表面结构的影响

对于Zr在CeO

(111)表面掺杂共有Zr原子取

代表层Ce原子、Zr原子取代表层O原子、Zr原子进

入晶体间隙3种情况产生,为衡量Zr原子在不同位

置掺杂的稳定性.采用平均形成能(E

form

)

公式加以比较,公式如下[15]:

form

=(E

total

-mE

Ce

-nE

-E

Zr

)/N.(1)

式中:

total

为掺杂体系总能;m,n分别代表Ce,O原

子个数;E

Ce

,E

,E

Zr

分别代表优化后的Ce,O,Zr原

子的单原子能量;N为晶胞内的原子总数对Ce,

O,Zr原子进行参数优化,并利用式(2)计算内聚能

coh

,依此验证所算得单原子能量的准确性

coh

=-(E

nsin

-E

sin

×n)/n.(2)

式中:E

coh

为原子的内聚能;E

nsin

为晶胞弛豫后体系

总能量;E

sin

为单原子能量,n为晶胞中原子个数计

算得到具体参数如表1

将表1中各原子单原子能量带入式(1)中,算

得不同位置的平均掺杂形成能如表2

411

贾慧灵,等:Zr掺杂对CeO

(111)表面空位形成及电子结构的影响

表1 Ce,O,Zr单原子能量及其它参数

Table1 MonoatomenergiesandotherparametersofCe,O,Zr

原子

sin

/eVE

nsin

/eV

晶格常数或键长/×10-10m

计算值实验值相对误差/%

内聚能/eV

计算值实验值相对误差/%

Ce-1.396-23.0015.2305.1601.3604.4154.3202.220

O-1.892-9.8501.2331.2091.9853.0352.60016.731

Zr-2.103-16.9633.3163.2302.6636.3796.2502.064

表2 Zr原子在不同位置的掺杂体系总能

及平均形成能

Table2 Totalandaverageformationenergiesof

Zrdopedsystemsatdifferentlocations

掺杂位置ZrCeZrOZr在间隙位

total

/eV

-292.254-274.579-294.879

form

/eV

-6.372-5.894-6.233

由表2可以看出,Zr在不同位置所形成掺杂体

系的平均形成能均为负值,且Zr原子取代表层Ce

原子时平均形成能最低,此掺杂体系最稳定

用PBE+U的计算方法对Zr取代表层Ce原子

的CeO

体系(Ce

0.92

Zr

0.08

)进行结构优化,发现相

比于CeO

体相材料,该体系的晶格常数略有收缩,

为5462×10-10m这是由于Zr4+离子半径比Ce4+

的离子半径小,离子半径小的Zr4+取代离子半径大

的Ce4+,形成的Zr—O键键长也小于Ce—O键键

长,因此造成晶格常数的减小

与CeO

(111)表面体系相比,优化后的Ce

0.92

Zr

0.08

(111)体系在Zr离子附近产生更大的弛豫

(如图2)Zr离子最近邻的3个表层O离子向其靠

近0192×10-10m,与Yang[16]的计算结果相近,此

时Zr—O键键长为2177×10-10m,略小于Zr,O原

子的共价键半径和(2180×10-10m)由于表层O

离子向Zr离子靠近,使得次表层O离子向远离Zr

离子方向移动0035×10-10m与Zr离子次近邻的

表层O离子吸引最近邻的3个表层Ce离子向其移

动0021×10-10m,形成3个长度为2348×

10-10m的Ce—O键,而表层其他Ce—O键键长增

加到2440×10-10m表层Ce离子下移0063×

10-10m,Zr离子最近邻表层O离子下移0139×

10-10m,次近邻表层O离子下移0022×10-10m

图2 弛豫后Ce

0.92

Zr

0.08

(111)表面模型

Fig.2 SurfacemodelofCe

0.92

Zr

0.08

(111)afterrelaxation

(a)侧视图;(b)俯视图

2.2 Zr掺杂对CeO

(111)表面氧空位形成

及电子结构的影响

为了直观看出Zr掺杂对CeO

(111)表面氧空

位形成的影响,特引入氧空位形成能计算公式对Zr

掺杂前后的空位形成能进行对比,公式如下:

=E

TV

+0.5E

-E

total

.(3)

式中:E

TV

为含有表层氧空位的体系总能;E

为氧

气分子总能;E

total

为无空位体系总能计算发现Zr

掺杂前后的空位形成能分别为2744eV和

0704eV,Zr的掺杂明显降低了CeO

(111)表面氧

空位形成能

图3为掺杂前后各体系的态密度图,从图中可

以看出,CeO

(111)表面体系(图3(a))中费密能级

两侧存在大小为1735eV的带隙,说明CeO

(111)表面为绝缘体,与CeO

体相材料一致费密

能级E

左侧价带的峰值主要由O2p提供,少部分

来源于Ce4f5d,右侧的导带峰由Ce4f提供图3

(b)为含有O空位的CeO

(111)表面体系态密度

图,此图中在价带顶部与未被占据的Ce4f态之间

出现1个新的间隙态峰,并且位于费密能级E

侧这主要是由于O空位的产生使得部分Ce4+被

还原为Ce3+对于图3(c)所示的Zr掺杂CeO

(111)表面体系态密度图,可以看出与未掺杂体系

511

内蒙古科技大学学报2019年6月 第38卷第2期

的形状相近,说明Zr的掺杂对体系态密度无明显影

响在Zr掺杂的还原CeO

(111)表面体系(图3

(d))中费密能级左侧出现了1个和未掺杂还原体

系中形状和大小近似的间隙态,说明该体系同样存

在被还原的Ce3+

图3 各体系态密度图

Fig.3 Densityofstatesforeachsystem

3 结论

采用第一性原理计算Zr的掺杂对于CeO

(111)表面体系原子结构和电子结构的影响,分析

发现:Zr的掺杂使得表层Ce,O原子发生极大扰动,

尤其是掺杂中心附近;Zr的掺杂使得CeO

(111)表

面体系O空位形成能明显降低,但对体系态密度无

明显影响,而对于还原体系,掺杂前后均在导带底和

价带顶之间出现靠近费密能级的间隙态,表明存在

Ce4+被还原为Ce3+

参考文献:

[1] 胡建东,李永绣,程昌明,等.CeO

ZrO

复合氧化物的

制备及其抛光性能[J].无机化学学报,2006,7(22):

13541358.

[2] 郝仕油,周雪珍,辜子英,等.超细CeZrO粉末的制备

及其影响因素[J].稀有金属与硬质合金,2002,30

(2):46.

[3] 傅毛生,李永绣,陈伟凡,等.Ce

0.8

Zr

0.2

固溶体磨料

对ZF7光学玻璃抛光性能的改善[J].摩擦学学报,

2009,29(2):180185.

[4] 徐招弟,周新木,李永绣.水热法制备Ce(Zr)O

纳米

复合粉体[J].功能材料,2004,3(35):363367.

[5] BAKKYARAJR,BALAKRISHNANM,BHARATHG,

etal.Facilesynthesis,structuralcharacterization,photo

catalyticandantimicrobialactivitiesofZrdopedCeO

nanoparticles[J].JournalofAlloysandCompounds,

2017,724(15):555564.

[6] CHENYC,CHENKB,LEECS,etal.Directsynthe

sisofZrdopedceriananotubes[J].JournalofPhysical

ChemistryC,2009,113(13):50315034.

[7] SUGIURAM.Oxygenstoragematerialsforautomotive

catalysts:ceriazirconiasolidsolutions[J].Catalysis

SurveysfromAsia,2003,7(1):7787.

[8] FABRISS,VICARIOG,BALDUCCIG,etal.Electron

icandatomisticstructuresofcleanandreducedceriasur

faces[J].JournalofPhysicalChemistryB,2005,109

(48):2286022867.

[9] PAIERJ,PENSCHKEC,SAUERJ.Oxygendefectsand

surfacechemistryofceria:quantumchemicalstudies

comparedtoexperiment[J].ChemicalReviews,2013,

113(6):39493985.

[10] GERWARDL,OLSENJS,PETITL,etal.Bulkmod

ulusofCeO

andPrO

—Anexperimentalandtheoretical

study[J].JournalofAlloysandCompounds,2005,400

(1):5661.

[11] HISASHIGET,YAMAMURAY,TSUJIT.Thermalex

pansionandDebyetemperatureofrareearthdopedceria

[J].JournalofAlloysandCompounds,2006,408

(412):11531156.

[12] YANGZX,LUZS,LUOGX,etal.Oxygenvacancy

formationenergyatthePd/CeO

(111)interface[J].

PhysicslettersA,2007,369(1):132139.

[13] ZHANGC,WENXD,TENGBT,etal.Catalytic

effectsofZrdopingiononceriabasedcatalyst[J].Fu

elProcessingTechnology,2015,131:16.

[14] BAUDINM,WOJCIKM,HERMANSSONK.Dynam

ics,structureandenergeticsofthe(111),(011)and

(001)surfacesofceria[J].SurfaceScience,2000,

468(13):5161.

[15] 宋庆功,闫洪洋,康建海,等.4d过渡金属替位掺杂

γ

TiAl基合金的第一性原理研究[J].材料导报,

2014,28(1):150164.

[16] YANGZX,WEIYW,FUZM,etal.Facilitatedvacan

cyformationatZrdopedceria(111)surfaces[J].Sur

faceScience,2009,602(6):11991206.

(责任编辑:师宝萍)

611

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