研究背景氮氧化物会引起一系列的环境问题，如酸雨、烟雾和光化学烟雾。
氨选择性催化还原（NH3-SCR)因其相对成熟、高效的技术，已成为控制氮氧化物排放的主流技术。
催化剂设计是NH3-SCR反应更为高效的重要举措。
因此，寻找新型、高效、环保的低温NH3-SCR催化剂具有重要的现实意义。
实验证明了Fe3O4(111)表面对NH3-SCR反应的催化作用，但仍缺乏系统的原子水平研究。
武汉理工大学谢峻林和方德等人采用第一性原理计算方法研究了NH3、NOx和O2与Fe3O4(111)表面的相互作用，这一研究的目的是为了更好地理解NH3-SCR反应中小分子在Fe3O4(111)表面上的吸附和活化规律。
计算方法本文采用Materials Studio软件包的CASTEP模块对其催化性能及电子性质进行理论研究，计算基于广义梯度近似(GGA)下的PBE泛函计算电子交换相关性，为了避免层间的相互作用，将Z方向的真空空间设置为15 Å。
截断能设置为400 eV，将能量、最大力和最大位移的收敛公差分别设为1× 10-5 eV/atom、0.03 eV·Å-1和0.001 Å。
结果与讨论Fe3O4(111)表面是自然生长的主要晶面，其催化活性高于其他表面。
根据终端表面原子类型的不同，沿Fe3O4(111)方向有两种主要的表面类型，可以表示为Fetet 端面和Feoct -tet端面。
如图1所示，Fetet表面由四面体Fe位点(Fetet)、孤立O位点(Oiso)、非孤立O位点(Onon-iso)和中空位点(Ohollow)组成。
Feoct-tet端面包括最外八面体Fe位点(Feoct)、次外Fetet和Oiso。
对于这两种表面模型，最上面的三层原子被允许松弛，而其他原子层被固定，以确保它们的表面性质可以更准确地模拟。
图1. Fe3O4(111)的Fetet端面和Feoct-tet端面结构图图2 (a)和(b)显示了氨吸附在表面的优化平衡构型。
氨位于Fetet的上方。
可以看出，当氨接近Fetet的顶部时，吸附能为-1.48 eV，是一种稳定的化学吸附能。
此时，氨的N原子与Fetet之间形成了一个化学键，N-Fe键长为2.109 Å。
Mulliken电荷可以解释分子中电子的分布和转移。
电荷表示分子中每个原子以不同构型所拥有的电荷量，而电子的变化表示分子总电荷的增益或损失。
可以观察到，在构型(a)中，一小部分电子（0.04 e）从氨转移到催化剂端面，这说明氨和Fetet之间存在电子相互作用。
Ohollow与H原子之间存在三方弱相互作用，使NH3以平衡构型(b)所示的形式吸附在表面，吸附能为-0.12 eV。
它接近物理吸附，表明平衡构型不太稳定。
然而，在三个Oiso的影响下，所有的N-H键长都被拉长。
与其他平衡构型相比，NH3可以从表面获得更多的电子(-0.10 e)，两者之间的电子相互作用更强，但这种平衡构型的吸附效果最差。
图2. Fe3O4(111)的Fetet -端面吸附NH3的构型图3 (A)-(C)显示了氨吸附在Feoct-tet端接表面的平衡构型。
图3 (A)和(B)中氨垂直吸附在Feoct和Fetet上的吸附能分别为−0.70 eV和−0.27 eV，而氨中的键长和键角只有极小的变化。
这表明，当氨垂直吸附在氨端端表面时，它们之间只有微弱的相互作用。
此外，N-Fe键长分别为2.125 Å和2.214 Å。
这可能是由于亚外层吸附位点的空间位阻大于最外层，导致吸附能更小，N-Fe键长越长。
这是最有利的吸附方法，即在氨、Feoct和Oiso之间生成N-Fe化学键和O-H氢键。
图3. Fe3O4(111)的Feoct-tet端面吸附NH3的结构在Fetet和Feoct-tet表面吸附NH3前后，相关原子或分子最稳定构型的PDOS如图4所示。
这些结果表明，两种表面都对NH3在吸附位点上有稳定作用。
进一步分析和比较两个表面吸附位点的PDOS，可以更深入地了解NH3与表面的相互作用。
这些共振峰表明NH3的N原子与Fetet(或Feoct)之间形成了N- Fe键。
共振峰的形状、数量和强度表明，NH3在Fetet端部表面更为稳定。
N 2p和Fe 3d原子轨道的PDOS峰的大量重叠，揭示了N – Fe键存在杂化。
此外，NH3非成键轨道的峰强度减弱，峰形状变宽，证明主要是NH3孤对电子与表面有强相互作用。
图4. 吸附NH3的态密度变化随后研究NO在Fe3O4(111)的Fetet端面和Feoct-tet端面的吸附位置。
Fetet端面吸附时，NO在表面不同位置的吸附能在0.20 eV到1.32 eV之间，说明在Fetet端部表面既存在物理吸附又存在化学吸附。
当NO吸附在表面的Ohollo上时，吸附能均为-0.20 eV，为强物理吸附。
图5中NO以N原子为头吸附在Fetet上的平衡构型(a)是最稳定的。
其吸附能最高，为-1.32 eV。
有0.25 e的电子从表面转移到NO。
对于Feoct-tet端面，N原子对Feoct和Fetet)的吸附能分别为-2.23 eV和-0.16 eV。
NO与吸附位点之间的距离分别为1.757 Å和1.798 Å。
相反，对于图6中的平衡构型(C)和(D)，当NO以O原子为头在Feoct和Fetet上时，吸附能分别只有-0.39 eV和-0.05 eV，相对较低。
在上述四种平衡构型中，无论哪种形式的NO靠近Feoct-tet端表面，Feoct上的吸附能都大于Fetet上的吸附能，这主要是空间位阻效应造成的。
图5. Fe3O4(111)的Fetet 端面吸附NO的构型图6. Fe3O4(111)的Feoct-tet端面吸附NO的结构对于最佳平衡构型的PDOS进行分析，见图7。
与吸附前相比，主要贡献的分子轨道对应的峰值位置在能量较高的方向上略有偏移。
这些结果都表明NO在Fetet上被激活，其能量也有所增加。
对比图7 (B)和(C)，可以发现8个主共振峰。
此外，主要受Fetet的3d和4p原子轨道的影响，费米能级附近的NO π反键轨道和费米能级以上的分子轨道的能量被拉高并完全分散在Fetet原子轨道中，这证明Fetet对NO的稳定作用。
NO被Feoct端面激活，同时也受到该位点相对较强的稳定性的影响。
更重要的是，Feoct很好地平衡了两者的作用，使吸附能更高。
图7. 吸附NO的态密度变化随后研究O2在其表面的吸附平衡构型。
如图8 (a)-(d)所示，Fetet端部表面的四个不同位置对O2的吸附。
结构优化后，Oiso、Onon-iso和Ohollow均能吸附O2，吸附能约为-1.20 eV。
O2在Fetet上形成O-Fe化学键，进一步加强了吸附效果，提高吸附能。
平衡构型(a)中的O2受表面feet的影响，通过吸附位点从表面获得0.18 e电子，O2的O-O键长被拉长，说明两者之间存在较强的相互作用。
其他三种平衡构型几乎没有变化，说明Fetet端部表面可能存在许多表面吸附氧。
对于Feoct-tet端部表面，分别研究了O2接近Feoct、Fetet和Oiso时的构型。
O2水平吸附在Fetet上，两个O原子同时与Fetet结合，形成三角形吸附氧结构，吸附能最高(-2.54 eV)。
Mulliken电荷表明，分别有0.32 e和0.33 e电子从表面转移到两个O原子上，O2共获得0.65 e电子。
O2与Feoct相互作用强烈，形成两个O-Fe化学键，键长分别为2.014 Å和2.020 Å。
O-O键长被拉长至1.381 Å，表明O2被激活。
图8. Fe3O4(111)的Fetet 端面吸附O2的构型图9. Fe3O4(111)的Feoct-tet端面吸附O2的结构吸附氧气前后端PDOS见图10。
O2的价层电子数比NO多1个，分子轨道有一定相似性。
DOS图中−25.91 eV和−13.86 eV的峰值可归因于O2的σ 2s和σ2s轨道。
当O2吸附在Fetet上时，O2所有已占轨道对应的峰都发生了分裂，能量略有降低。
结果表明，该位点对O2既有稳定作用，又有活化作用。
对于Feoct表面，也可以看到，所有已占轨道对应的峰都被分裂，这表明O2的分子轨道被轻微破坏。
而成键轨道和反键轨道分别朝着能量增加和能量减少的方向运动，趋向于O原子本身的原子轨道能量，这表明O2进一步被激活。
对比发现，Feoct端部表面上稳定的三角吸附氧结构是非常重要的。
图10. 吸附O2的态密度变化NH3– SCR反应中NH3吸附在催化剂表面活性位点上形成-NH2的脱氢过程称为NH3活化。
这是一个重要的基本反应，使用CASTEP中的LST/QST算法在Fe3O4(111)表面上搜索NH3氧化脱氢的过渡态(TS)，结果如图11所示。
NH3首先吸附在Fe3O4(111)表面，获得最稳定的构型，分别释放1.48 eV和1.19 eV的能量。
在Fetet表面，在最靠近吸附位点的晶格氧的影响下，NH3发生氧化脱氢反应。
其中一个氢与晶格中的氧结合在表面形成羟基，然后自身转化为-NH2。
该反应的能垒较高(1.49 eV)，与吸附能相当。
可能的原因是NH3在Fetet表面的稳定吸附构型是垂直的，晶格氧对远处NH3 中H的影响有限。
相反，对于Feoct-tet端部表面，由于稳定的水平吸附构型，NH3的氢与最近的晶格氧之间存在氢键相互作用，使N-H键在一定程度上被削弱和激活。
NH3氧化脱氢反应能垒(0.79 eV)降低。
NH3氧化脱氢的整个反应过程是吸热的，但反应热足以被吸附时释放的能量所覆盖，说明在Fe3O4(111)表面发生的基元反应是一个自发的过程。
图11. NH3活化步骤的过渡态结果结论与展望本文探讨了Fe3O4(111)两个暴露表面上NH3、NO和O2分子的吸附规律，由于水平吸附构型，NH3明显受到最近晶格氧的影响，这使得氧化脱氢反应更容易发生。
这为在原子水平上理解其表面上的NH3– SCR反应提供依据。
文献信息Hou, S., Fang, D., Jin, Q., Ye, Y., Li, Q., He, F., & Xie, J. (2022). First principle study on the interactions of NH3, NOx and O2 with Fe3O4 (1 1 1) surfaces. Applied Surface Science, 605, 154645.