近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子反應(yīng)動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在分子表面散射動力學(xué)理論研究中獲得新進(jìn)展。由該實(shí)驗(yàn)室副研究員傅碧娜、研究員張東輝等撰寫的論文First-principles quantum dynamical theory for the dissociative chemisorption of H2O on rigid Cu(111) 發(fā)表在近期的《自然·通訊》雜志上(Nature Communications, 2016, 7:11953, doi: 10.1038/ncomms11953)，該研究工作首次實(shí)現(xiàn)了多原子分子在金屬表面反應(yīng)的全維量子動力學(xué)計(jì)算。
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。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(gè)自由度的問題。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。由于包含9個(gè)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六個(gè)。今年初，該研究團(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) (Chemical Science, 2016, 7, 1840-1845)，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(shí)會帶來較大的誤差，因此非常有必要開展全維量子動力學(xué)研究。
最近，該研究團(tuán)隊(duì)在其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(gè)三原子分子在金屬表面反應(yīng)的全維量子動力學(xué)研究，被審稿人譽(yù)為“理解表面反應(yīng)動力學(xué)的一個(gè)重要里程碑”。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)。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(gè)重要的理論方法。
以上研究得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院的支持。
大連化物所金屬表面解離吸附動力學(xué)理論研究取得新進(jìn)展
