水在金屬表面解離吸附的全維量子動力學

楊金龍

(中國科學技術(shù)大學化學與材料科學學院，合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室，合肥230026)

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水在金屬表面解離吸附的全維量子動力學

楊金龍

(中國科學技術(shù)大學化學與材料科學學院，合肥微尺度物質(zhì)科學國家實驗室，合肥230026)

［Highlight］

www.whxb.pku.edu.cn

分子在金屬表面解離吸附的動力學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付出了巨大的努力1－6。由于反應中可能存在的量子效應，如量子隧穿、零點能、反應共振等，量子動力學研究是最為可靠的。但是由于高維量子動力學研究的困難，以往精確的量子動力學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自由度的問題1－4,7。

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中重要的一步，因此其研究具有重要意義。由于這個體系包含9個自由度，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6個4,5,8。今年初，中國科學院大連化學物理研究所傅碧娜和張東輝研究團隊首次利用7維量子動力學方法研究H2O在Cu (111)表面的解離吸附動力學9，發(fā)現(xiàn)7維量子動力學結(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時會帶來較大的誤差，因此更加凸顯全維量子動力學研究的必要性。

最近，中國科學院大連化學物理研究所傅碧娜和張東輝研究團隊在他們自己擬合的全維全域勢能面上成功在全維(9維)水平計算了H2O在Cu(111)表面的解離吸附幾率，從而首次實現(xiàn)了一個三原子分子在金屬表面反應的全維量子動力學研究。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算才能精確描述此類反應。相關(guān)工作最近發(fā)表在Nature Communications雜志上10。全維量子動力學還揭示了H2O的不同振動模式激發(fā)比平動能都能更有效地促進反應發(fā)生，并且效率明顯要比減維模型得到的更為顯著。該全維量子動力學研究也驗證了該研究團隊之前在雙原子分子-表面散射中所發(fā)展的質(zhì)心位點平均方法的準確性，表明該方法能廣泛應用到多原子分子在金屬表面的解離吸附動力學研究中，從而為精確模擬多原子分子-表面反應提供了一個重要的理論方法。

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