H2S在Cu (100)表面吸附分解的密度泛函理论研究

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1、中图分类号：TG171单位代码：10425学号：S10101027H2S在Cu(100)表面吸附分解的密度泛函理论研究DensityFunctionalTheoryStudyoftheAdsorptionandDissociationofH2SonCu(100)Surface学科专业：材料科学与工程研究方向：材料复合与组装作者姓名：陈生辉指导教师：胡松青教授二〇一三年四月DensityFunctionalTheoryStudyoftheAdsorptionandDissociationofH2SonCu(100

2、)SurfaceAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：ChenShenghuiSupervisor：Prof.HuSongqingCollegeofScienceChinaUniversityofPetroleum(EastChina)关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含

3、本人或他人为获得中国石油大学（华东）或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学（华东）有权使用本学位论文（包括但不限于其印刷版和电子版），使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门（机构）送交、赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复

4、制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日摘要在含H2S的腐蚀环境中，可能发生多种形式的金属腐蚀，导致设备的破裂、泄漏甚至爆炸，造成巨大的经济损失和人员伤亡。而H2S腐蚀的微观反应过程尚不清楚，各种腐蚀机理还需验证。从理论上研究H2S分子在金属表面的微观行为，对深入探索腐蚀机理，减缓腐蚀现象的发生具有重要意义。本论文采用周期性的密度泛函理论，研究H2S分子在Cu(100)表面的吸附及分解机理，并进一步探索水溶液对H2S吸附分解过程的影响。经过

5、系统地分析研究得到如下结论：通过对H2S、H/HS和H/H/S在Cu(100)表面吸附的量化计算研究发现，H原子、S原子和HS均倾向于吸附在表面的空位，而H2S吸附于顶位时的构型最稳定。吸附物中的S原子s、p轨道与表面Cu原子的d轨道发生电子云重叠，形成Cu-S共价键。H2S和HS的吸附能够导致S-H键发生活化，三种吸附体系的吸附能顺序为：H/H/S>H/HS>H2S。H2S分子吸附于Cu(100)表面后具有发生分解的趋势。通过过渡态理论研究了H2S在Cu(100)表面分解的两步基元反应：H2S→H+HS和HS

6、+H→S+2H，结果表明两步基元反应的过程相似：H原子脱离S原子，分解产物独立吸附于Cu表面，反应体系能量降低。经计算得两步基元反应的能垒均较低，分离后的S原子在Cu表面的吸附为腐蚀产物的形成创造了条件。另外，在H2S的分解过程中：H-S键断裂所释放出的电子转移到H与Cu原子之间，在过渡态中形成H-Cu键；两步基元反应的分解产物在Cu表面的吸附导致了体系能量的降低，确保了反应能够顺利进行。在以上研究内容的基础上，利用类导体屏蔽模型研究了水溶液对H2S吸附及分解的影响。结果表明溶剂化效应能够促进H2S及分解产物在

7、Cu(100)表面的吸附，但对吸附构型影响较小，且溶液中H2S分解反应的能垒和反应热与气相中相似，溶剂化效应对H2S的分解没有促进作用，因此水溶液对腐蚀的促进作用并不是由于溶剂化效应所致。考虑水溶液能够提供大量H粒子，因此进一步研究H在表面的微观行为。结果表明由于H原子半径较小，能够稳定吸附于Cu(100)表面及表面内部，且H在Cu表面容易发生迁移，这为在金属内部形成氢分子破坏金属结构创造了条件。H原子在金属表面及内部的扩散是溶液促进H2S腐蚀的原因之一。关键词：H2S，吸附，分解，溶剂化，密度泛函理论iDen

8、sityFunctionalTheoryStudyoftheAdsorptionandDissociationofH2SonCu(100)SurfaceChenShenghui（MaterialScienceandEngineering）DirectedbyProf.HuSongqingAbstractInthecorrosiveenvironmentcontainingH2S,met