DFT 揭秘甘油在 K2O (1 1 0) 表面吸附助力生物柴油生产机制

为解决生物柴油生产中催化剂相关问题，研究人员开展甘油在 K2O (1 1 0) 表面吸附的 DFT 研究。结果显示 (1 1 0) 表面最稳定，甘油吸附能高且引起系列变化。该研究为生物柴油生产催化剂开发提供理论依据。

　　在全球积极应对气候变化的大背景下，化石燃料的大量消耗成为碳排放的 “元凶”，给环境带来沉重压力。生物柴油作为一种绿色环保的可再生能源，具有减少二氧化碳排放、可生物降解等诸多优势，被视为替代石油柴油的理想选择。然而，生物柴油的生产过程并非一帆风顺。传统的均相催化剂在使用时，对油脂质量要求较高，若使用低纯度油脂，不仅会降低产品收率，还会增加催化剂的消耗。而异相催化剂虽有诸多优点，但部分存在反应时间长等问题。在众多异相催化剂中，K₂O 催化剂的研究相对较少，其在生物柴油生产过程中的物理反应机制尚不明确。为了深入了解 K₂O 催化剂在生物柴油生产中的作用，研究人员开展了一项关于甘油在 K₂O (1 1 0) 表面吸附的研究，该研究成果发表在《Applied Surface Science》上。

研究人员运用密度泛函理论（DFT），借助维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行计算。在计算过程中，考虑了范德华（vdW）修正，采用了特定的交换 - 相关泛函、动能截断值、k 点网格等参数，以确保计算结果的准确性。同时，通过构建合理的计算模型，对 K₂O 的晶体结构和表面模型进行了研究。

在研究结果方面：

• 几何优化和表面性质：优化后的 K₂O 体相结构晶格参数与前人研究相符。通过计算等效表面形成能（E_ESFE）发现，(1 1 0) 表面的能量为 0.51 J/m² ，比 (1 0 0) 表面更稳定，这表明 (1 1 0) 表面在实际应用中更易形成。
• 甘油吸附：研究人员选取了三种初始吸附几何构型，优化后的结果显示，甘油在这三种构型下的吸附能分别为 - 5.58 eV、 - 5.13 eV 和 - 2.88 eV，表明甘油在 K₂O (1 1 0) 表面的吸附较为稳定，且平行吸附构型的稳定性高于垂直吸附构型。同时，吸附过程中表面原子发生了重排，部分氢原子发生解离。
• 电子结构、键分析和电荷密度差：
  • 电子结构：对体相、纯净 (1 1 0) 表面、孤立甘油和吸附体系的电子结构研究发现，K₂O 在体相和 (1 1 0) 表面均表现为 p 型半导体。从体相到表面，带隙显著减小，吸附甘油后，体系的带隙进一步略微降低，且出现了新的价带状态，表明甘油与表面发生了相互作用。
  • 键序：通过键序（BO）分析可知，甘油吸附后，部分原子的键序发生了变化。例如，吸附甘油的 O 原子与原 H 原子的键序降低，表明 H 原子发生了解离；表面 K 原子与甘油 O 原子的键序变化则表明它们之间形成了新的化学键。同时，远离吸附位点的原子键序变化较小，说明吸附作用具有局部性。
  • Bader 电荷转移和电荷密度差：电荷密度差（CDD）分析和 Bader 电荷分析表明，电荷转移主要集中在甘油吸附区域，且甘油在吸附过程中获得电荷，表面失去电荷，这与吸附能的趋势一致。
  
  

在研究结论和讨论部分，该研究首次对 K₂O (1 1 0) 表面进行了较为系统的研究，明确了甘油在该表面的吸附特性。研究发现 (1 1 0) 表面具有最低的形成能，甘油在该表面的吸附能较高，且吸附过程伴随着结构变化、电子结构改变以及电荷转移。这些结果为 K₂O 作为生物柴油生产催化剂的进一步研究提供了重要的理论基础。然而，目前的研究仅涉及甘油的吸附，未来还需要考虑反应物、热力学和动力学等因素，以便更深入、更真实地理解生物柴油生产反应过程，为生物柴油产业的发展提供更有力的支持。

总的来说，这项研究在生物柴油生产领域具有重要意义。它不仅填补了 K₂O 催化剂研究的部分空白，为后续实验和理论研究提供了方向，还有助于推动生物柴油生产技术的发展，促进可再生能源的广泛应用，对缓解能源危机和环境保护具有积极的影响。