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利用第一原理計算探討金屬氧化物表面對於小分子氣體之催化反應

為了解決Dell 27 曲面的問題，作者盧禹寰 這樣論述：

第一部分：NO2 分子吸附在M-dope CeO2(111)表面上之反應探討(M = Mn, Fe)我們使用自旋極化週期性密度泛函理論探討NO2吸附於M-doped CeO2(111) (M= Mn, Fe)表面上的反應機制，我們將Mn或 Fe原子置換到CeO2(111)表面用來修飾純CeO2表面的活性、並探討氧缺陷的形成和分子吸附行為與其相關反應機制，在CeO2(111)相關計算中，我們以密度泛函理論之並加入Hubbard U term (DFT+U)做計算。結果發現與未摻雜的表面相比NO2吸附在M摻雜氧化鈰表面上吸附力較強，並經由Bader charge以及振動頻率計算分析發現NO2會在

表面上形成類硝酸鹽之結構；反之，NO2吸附在氧缺陷之未摻雜的表面上則較M摻雜氧化鈰表面上吸附力較強，經由Bader charge以及振動頻率計算分析也發現NO2會於氧空缺表面上形成類亞硝酸鹽之結構。第二部分：H2O 分子吸附在M-dope CeO2(111) 表面上之反應探討(M = Mn, Fe)我們使用自旋極化週期性密度泛函理論並加入Hubbard U term (DFT+U)做計算，探討H2O吸附於M-doped CeO2(111) (M= Mn, Fe)表面上的反應機制，我們將Mn或 Fe原子置換到CeO2(111)表面用來修飾純CeO2表面的活性、並探討氧缺陷的形成和分子吸附行為與其

相關反應機制，從計算結果中發現， H2O吸附在M參雜之氧化鈰表面上更為牢固，若吸附在氧缺陷之表面上，則在未摻雜的表面上之吸附能較為穩定，在結構上H2O在未參雜的表面上並無法尋找到為解離前的吸附結構。由吸附能來看也可以發現氧缺陷可以增強H2O與表面間的作用力，整體吸附能之趨勢也和氧缺陷之形成能有關：Ce0.875Mn0.125O2 < Ce0.875Fe0.125O2 < CeO2。第三部分：H2O 分子吸附在α-Al2O3(0001) 表面上之反應探討我們使用週期性密度泛函理論來研究H2O吸附於α-Al2O3(0001)表面之吸附與解離反應，我們分別計算兩種不同的表面進行H2O的催化反應，分別

為Al, O-terminated以及Al-terminated的α-Al2O3(0001)表面，所使用的表面為2 × 2的supercell，結果顯示Al-terminated α-Al2O3(0001)主要有兩種裂解路徑，1. H2O解離為OH + H並經由提供一定的能量讓整體反應趨向產生H2氣體，總反應放熱2.37 eV；2.將H2O完全解離為2H + O的形式，並放熱4.18 ~ 4.22 eV。Al, O-terminated的α-Al2O3(0001)表面由於 的s軌域與Al原子的p軌域也有著明顯混成情況形成強作用力，讓H2O吸附於Al, O-terminated α-Al2O3(

0001)表面僅能形成H + OH，總反應放熱約1.64 eV。第四部分：H2O 分子吸附在γ-Al2O3(110) 表面上之反應探討我們使用週期性密度泛函理論來研究H2O分子吸附於γ-Al2O3(110)表面之吸附與解離反應，我們計算了H2O、OH、O以及H分別在表面上最穩定的吸附位置，分別為Al(I)-top、Al(III)-bridge、Al(I, II)-bridge以及Al(III)-bridge，並利用這些吸附位置去推斷可能的反應路徑；除了H2O的解離反應我們也做了H2的生成預測並繪製於位能曲面圖中，並成功尋找到H2O在γ-Al2O3(110)表面上的最佳路徑，總反應僅需兩步驟即可

得到H2為最終產物，透過分子動力學模擬我們也驗證了H2在γ-Al2O3(110)表面逐步變化的過程，另外，我們也計算Bader charge去分析吸附物與表面之間的作用力。