水在金属表面解离吸附的全维量子动力学

杨金龙

(中国科学技术大学化学与材料科学学院，合肥微尺度物质科学国家实验室，合肥230026)



水在金属表面解离吸附的全维量子动力学

杨金龙

(中国科学技术大学化学与材料科学学院，合肥微尺度物质科学国家实验室，合肥230026)

［Highlight］

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分子在金属表面解离吸附的动力学研究在多相催化等工业过程中占有重要的地位。在过去的20多年里，科学家们为发展可靠的理论来精确描述分子在固体表面的解离吸附动力学付出了巨大的努力1－6。由于反应中可能存在的量子效应，如量子隧穿、零点能、反应共振等，量子动力学研究是最为可靠的。但是由于高维量子动力学研究的困难，以往精确的量子动力学理论只局限于研究双原子分子在固体表面解离吸附这类包含六个自由度的问题1－4,7。

水在过渡态金属表面的解离吸附是多相催化过程，如水煤气变化和蒸气重整反应中重要的一步，因此其研究具有重要意义。由于这个体系包含9个自由度，以往的研究只能利用减维量子模型把体系的自由度限制在6个4,5,8。今年初，中国科学院大连化学物理研究所傅碧娜和张东辉研究团队首次利用7维量子动力学方法研究H2O在Cu (111)表面的解离吸附动力学9，发现7维量子动力学结果和之前的6维结果相差很大，说明表面减维模型在描述此类反应时会带来较大的误差，因此更加凸显全维量子动力学研究的必要性。

最近，中国科学院大连化学物理研究所傅碧娜和张东辉研究团队在他们自己拟合的全维全域势能面上成功在全维(9维)水平计算了H2O在Cu(111)表面的解离吸附几率，从而首次实现了一个三原子分子在金属表面反应的全维量子动力学研究。他们的研究发现全维量子解离几率与以往用减维模型得到的结果相差很大，证明只有全维量子计算才能精确描述此类反应。相关工作最近发表在Nature Communications杂志上10。全维量子动力学还揭示了H2O的不同振动模式激发比平动能都能更有效地促进反应发生，并且效率明显要比减维模型得到的更为显著。该全维量子动力学研究也验证了该研究团队之前在双原子分子-表面散射中所发展的质心位点平均方法的准确性，表明该方法能广泛应用到多原子分子在金属表面的解离吸附动力学研究中，从而为精确模拟多原子分子-表面反应提供了一个重要的理论方法。

References

(1)Kroes,G.J.;Baerends,E.J.;Mowrey,R.C.Phys.Rev.Lett. 1997,78,3583.doi:10.1103/PhysRevLett.78.3583

(2)Kroes,G.J.Science 2008,321,794.doi:10.1126/ science.1157717

(3)Díaz,C.;Pijper,E.;Olsen,R.A.;Busnengo,H.F.;Auerbach,D. J.;Kroes,G.J.Science 2009,326,832.doi:10.1126/ science.1178722

(4)Jiang,B.;Ren,X.;Xie,D.;Guo,H.Proc.Natl Acad.Sci.U.S. A.2012,109,10224.doi:10.1073/pnas.1203895109

(5)Hundt,P.M.;Jiang,B.;van Reijzen,M.E.;Guo,H.;Beck,R. D.Science 2014,344,504.doi:0.1126/science.1251277

(6)Farjamnia,A.;Jackson,B.J.Chem.Phys.2015,142,234705.doi:10.1063/1.4922625

(7)Kroes,G.J.;Díaz,C.Chem.Soc.Rev.2016,doi:10.1039/ C5CS00336A

(8)Jiang,B.;Yang,M.;Xie,D.;Guo,H.Chem.Soc.Rev.2016, doi:10.1039/C5CS00360A

(9)Liu,T.;Zhang,Z.;Fu,B.;Yang,X.;Zhang,D.H.Chem.Sci. 2016,7,1840.doi:10.1039/c5sc03689e

(10)Zhang,Z.;Liu,T.;Fu,B.;Yang,X.;Zhang,D.H.Nat. Commun.2016,7,11953.doi:10.1038/ncomms11953

10.3866/PKU.WHXB201607151