Nghiên cứu liên kết hydrogen kích hoạt phân ly khí nitric oxide trên bề mặt cu(110) bằng mô phỏng máy tính

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM NGỌC THANH NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT HYDROGEN KÍCH HOẠT PHÂN LY KHÍ NITRIC OXIDE TRÊN BỀ MẶT CU(110) BẰNG MƠ PHỎNG MÁY TÍNH Chun ngành: Khoa Học Tính Tốn Mã số: 60460136 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2018 VIETNAM NATIONAL UNIVERSITY – HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY PHAM NGOC THANH STUDY HYDROGEN BOND INDUCED NO DISSOCIATION ON CU(110) BY COMPUTER SIMULATION Major: Computational Science ID: 60460136 MASTER THESIS HO CHI MINH CITY, June 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học 1: Prof Yoshitada Morikawa (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán hướng dẫn khoa học 2: TS Đỗ Ngọc Sơn (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: PHẠM NGỌC THANH MSHV:1670060 Ngày, tháng, năm sinh: 20/08/1993 Nơi sinh: Gia Lai Chuyên ngành: Khoa học tính tốn Mã số: 60460136 I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu liên kết hydrogen kích hoạt phân ly khí nitric oxide bề mặt Cu(110) mơ máy tính (Study hydrogen bond induced NO dissociation on Cu(110) surface by computer simulation) II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Học viên nghiên cứu đánh giá việc hấp phụ phân ly khí NO bề mặt Cu(110) Đánh giá khả kích hoạt phân ly NO liên kết hydrogen thơng qua việc tính tốn đường phản ứng có lượng kích hoạt nhỏ trường hợp phân tách NO có khơng có mặt liên kết hydrogen Cuối cùng, tính tốn cấu trúc điện tử dẫn đến việc kích hoạt phân ly NO The molecular and dissociative adsorptions of NO on Cu(110) are elucidated The hydrogen bond-induced NO dissociation on Cu(110) is investigated by calculating the minimum energy pathways for NO dissociation with and without hydrogen bond coupling The electronic orgins leading to the induction effect are proposed through the electronic structure calculations III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15/01/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Prof Yoshitada Morikawa TS Đỗ Ngọc Sơn Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG (Họ tên chữ ký) ii Acknowledgements First, I would like to thank my supervisors, Prof Yoshitada Morikawa (Graduate School of Engineering, Osaka University (OU)) and Dr Do Ngoc Son (Ho Chi Minh city University of Technology (HCMUT)) for their guidance, encourages, helpful comments throughout my master course I must say thank to Prof Yoshitada Morikawa for providing me a chance to conduct my research at his laboratory I have been extremely lucky to have a supervisor who cared so much about my work, who responded to my questions and queries so promptly I admire his huge efforts to take care of my research every week, guide me to study machine learning techniques during my first three months at OU I really enjoy our every Saturday meeting during my time at OU so much Furthermore, I am thankful for the doctor course opportunity at OU from him I am grateful to express my deepest appreciation for the guidance of Dr Do Ngoc Son when I studied and conducted the research at HCMUT His enthusiasm for research has a huge impact to me and inspires me to become an academic researcher In addition, I would like to thank his recommendation for my research at OU During the time when I conducted my research at OU, I am grateful to have fruitful discussions, insightful comments, and kind helps from M.Sc Mashahiro Sugiyama, M.Sc Setia Eka Marsha Putra, Dr Fahdzi Muttaqien, Prof Kouji Inagaki, Prof Yuji Hamamoto, and Prof Ikutaro Hamada The helpful comments on my manuscript made by Prof Ikutaro Hamada are highly appreciated In addition, I would like to thank all of the students and staffs at Morikawa Lab for their helps and I really enjoy my great time at OU I am grateful for financial supports by Japan Student Services Organization (JASSO) and Toshiba scholarship for VNU-HCM In addition, the part-time research assistant job from Prof Morikawa are highly appreciated Finally, I would like to thank the supports from my family and my girlfriend iii Tóm tắt luận văn Trong luận văn thạc sỹ này, học viên nghiên cứu phân ly khí nitric oxide (NO) bề mặt Cu(110) ảnh hưởng liên kết hydrogen lên phân ly NO lý thuyết phiếm hàm mật độ Học viên tìm thấy khí NO hấp phụ phân tử bền vững bề mặt Cu(110) dạng cấu hình thẳng đứng vị trí cầu nối ngắn dạng cấu hình nằm ngang vị trí rỗng kết nối hai vị trí cấu nối ngắn gần Dạng cấu hình nằm ngang trạng thái trung gian cho trình phân ly NO Các đường phản ứng phân ly NO Cu(110) ảnh hưởng liên kết hydrogen với phân tử nước nghiên cứu hệ thống Học viên tìm liên kết hydrogen kích hoạt phân ly NO với hàng rào lượng cực thấp có hình thành liên kết hydrogen dime nước nguyên tử O NO nằm ngang hai liên kết hydrogen dime nước với đầu NO nằm ngang Quan trọng hơn, hiệu ứng thúc đẩy phân ly NO hiệu có hình thành liên kết hydrogen dime nước phân tử O NO nằm ngang Kết luận văn cung cấp chế mặt vật lý cho hiệu ứng kích hoạt phân ly NO liên kết hydrogen với nước, mà hữu dụng việc cải thiện hiệu xúc tác thiết kế chất xúc tác lĩnh vực giảm thiểu phát xạ khí NO khơng khí iv Abstract In this master thesis, I have studied the dissociation process of nitric oxide (NO) on Cu(110) and the influence of the hydrogen bond with water by means of density functional theory calculations I have found that an upright NO adsorbed at a shortbridge site and a side-on NO at a hollow site connecting two short-bridge sites are the two most stable molecularly adsorbed states, and the latter is the precursor for the dissociation process Various NO dissociation pathways under the influences of the hydrogen bonds with water have been investigated I have found that hydrogen bonds efficiently reduce the activation energy of NO dissociation by the introductions of a water dimer to O and water dimers to both sides of the side-on NO, respectively More importantly, the promoting effect of water molecules on NO dissociation is dominant only when one of water molecules in a water dimer forms a hydrogen bond with O of the side-on NO My results provide a physical insight into the promoting effect of hydrogen bonds with water, which may be helpful in improving catalytic activity as well as designing novel catalysts for NO reduction v Declaration I declared that this thesis was composed by myself, that the work herein is my own except where explicitly stated otherwise in the text, and this work has not been submitted for any other degree or processional qualification excepts as specified Parts of this work have been published in T.N Pham, M Sugiyama, F Muttaqien, S E M Putra, K Inagaki, D N Son, Y Hamamoto, I Hamada, Y Morikawa, “Hydrogen Bond-Induced Nitric Oxide Dissociation on Cu(110)”, J Phys Chem C, 122, 11814 (2018) vi List of abbreviations No Abbreviation Definition TWC Three-way catalyst NO Nitric oxide CO Carbon monooxide HC Hydrocarbon RAIRS Reflection absorption infrared spectroscopy EELS Electron energy loss spectroscopy LEED Low energy electron diffraction STM Scanning tunneling microscopy DFT Density functional theory 10 GGA Generalized gradient approximation 11 ML Monolayer 12 PDOS Projected density of states 13 vdW-DF Van der Waals density functionals method 14 MEP Minimum energy pathway 15 LDA Local density approximation vii Generalized direct inversion of iterative 16 GDIIS 17 PBE Perdew-Burke-Ernzerhof 18 STATE Simulation tool for atom technology 19 NEB Nudged elastic band 20 CI-NEB Climbing image nudged elastic band subspace viii Charge rearrangement (charge density difference) upon formation of the hydrogen bond between the adsorbates is shown in Figure 3.8, where the charge rearrangement of N*O*+ H2O* is calculated as ∆𝜌*∗ +∗ < 89 +∗ = 𝜌*∗ +∗