尖晶石MnCo2O4体相及低指数表面结构和电子特性的第一性原理研究

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近年来,MnCo2O4作为一种重要的AB2O4型尖晶石结构在催化剂领域中得到广泛应用。为了分析MnCo2O4表面与其催化性能的关系,我们采用第一性原理投影缀加平面波方法,研究了尖晶石MnCo2O4体相及低指数表面(001)和(110)结构和电子特性。计算结果表明,反尖晶石结构的MnCo2O4更稳定,并且是一种带隙非常小的绝缘属性材料。通过计算发现锰原子更倾向以Mn3+的高自旋态占据八面体位,同样在此体相结构中存在两种不同占位的钴离子,分别为四面体位的Co2+,八面体位的Co3+。分析MnCo2O4低指数表面(001)和(110)的表面能,我们得到稳定的平板模型,并且得到两种表面的表面能分别是0.036 eV/?2,0.101 eV/?2。进一步分析锰和钴原子的分波态密度,我们得到了一些详细的表面电子结构信息:表面的Mn和四面体位的Co非常稳定,它们的电子特性和体相中锰和钴基本一致,然而表面层的八面体位钴的电子态有显著的变化,这是由于钴的配位数减少,使得表面层钴从体相中的t32g(↑)t32g(↓)电子态变成(001)表面t32g(↑)eg1(↑)t22g(↓)电子态(Co-O配位数是5);在(110)表面,八面体位的钴为4配位的钴(每个Co原子形成4个Co-O键),这使得表面的钴更加活跃,具有更强的催化活性,其电子组态为t32g(↑)eg2(↑)t12g(↓)eg1(↓)。这些结果也说明尖晶石MnCo2O4氧化物催化的活性位是八面体位的Co3+离子。
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