乙烷在Fe（110）、Co（111）、Ni（111）表面吸附及解离的密度泛函理论研究

【摘要】： 第一过渡金属催化乙烷裂解制备乙烯倍受广大研究者的关注,受当前实验手段的限制,其反应机理尚不明确。本文采用基于密度泛函理论的量子力学计算程序DMol3,计算并分析了乙烷在金属低指数面上的吸附和解离过程,完善了反应机理。 本文基于第一性原理的密度泛函理论与周期平板模型相结合的方法,优化了C2H6裂解反应过程各驻点在Fe(110)表面的top、hcp、SB、LB位,在Co(111)和Ni(111)表面的top、fcc、hcp、bridge位的吸附模型；计算了能量,并对布居电荷进行了分析,得到了各驻点的有利吸附位；研究了乙烷在Fe(110)、Co(111)、Ni(111)表面解离的可能微观反应机理,使用完全LST/QST程序确定解离反应的过渡态。结果表明： (1)当C2H6在Fe(110)表面裂解时,C2H6、C2H5、C2H4、CH4、CH3、CH2、.H2和H在Fe(110)表面稳定吸附位分别为LB、LB、top、SB、top、hcp、LB和hcp,所对应的吸附能分别为-80.24、-178.89、-132.73、-38.14、-171.78、-342.43、-19.50和-345.63 kJ·mol-1;在吸附过程中,物种C2H6、C2H5、C2H4、CH2和H将电荷转移给Fe(110)表面,而CH4、CH3和H2是得到Fe(110)表面的电荷,各物种均为化学吸附；C2H6在Fe(110)表面C-C解离的速控步骤活化能为而C-H解离的速控步骤活化能为,故C-C解离过程占优势,主反应通道为Fe(110)+C2H6→Fe(110)-C2H6→TS3→IM2→TS4→P2,其主产物为CH4和CH2。 (2)当C2H6在Co(111)表面裂解时,C2H6、C2H5、C2H4、CH4、CH3、CH2、H2和H在Co(111)表面稳定吸附位分别为bridge、bridge、top、top、top、bridge、bridge和fcc,所对应的吸附能分别为-89.39、243.98、-133.32、-60.35、-227.61、-440.57、-40.24和-338.46 kJ·mol-1,在吸附过程中,物种C2H6、C2H4、CH4、CH3、CH2和H将电荷转移给Co(111)表面,而C2H5和H2是得到Co(111)表面的电荷,各物种均为化学吸附；C2H6在Co(111)表面C-C解离的速控步骤活化能为223.8 kJ·mol-1,而C-H解离的速控步骤活化能为180.9 kJ·mol-1,故C-H解离占优势,主反应通道为Co(111)+C2H6→Co(111)-C2H6→TS1→IM1→TS2→P1,其主产物为C2H4和H2。 (3)当C2H6在Ni(111)表面裂解时,C2H6、C2H5、C2H4、CH4、CH3、CH2、H2和H在Ni(111)表面稳定吸附位分别为top、hcp、top、hcp、hcp、fcc、bridge和fcc,所对应的吸附能分别为-36.41、-100.21、-48.62、-16.13、-126.18、-296.60、-12.19和-352.13 kJ·mol-1,在吸附过程中,物种C2H5、C2H4、CH3、CH2和H将电荷转移给Ni(111)表面,而C2H6、CH4和H2是得到Ni(111)表面的电荷,各物种均为化学吸附；C2H6在Ni(111)表面C-C解离的速控步骤活化能为257.9 kJ·mol-1,而C-H解离的速控步骤活化能为159.8 kJ-mol"1,故C-H解离占优势，主反应通道为Ni(111)+C2H6→Ni(111)-C2H6→TS1→IM1→TS2→P1,其主产物为C2H4和H2。 综上所述,第一过金属Fe、Co、Ni活化C2H6制备C2H4的最好催化剂是Ni,Co次之,而Fe不宜采用。 【关键词】：乙烷 乙烯 吸附 Fe(110)表面 Co(111)表面 Ni(111)表面 密度泛函理论 电子结构 过渡态
【学位授予单位】：四川师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：O647.3
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 前言9-10
• 第一章 乙烷在Fe(110)表面的吸附和解离10-30
• 1.1 引言10
• 1.2 计算模型和方法10-12
• 1.3 结果与讨论12-28
• 1.3.1 单吸附的几何构型12-21
• 1.3.2 单吸附时最佳吸附位的态密度(DOS)分析21-24
• 1.3.3 中间体和产物的几何构型24-26
• 1.3.4 C_2H_6在Ni(111)表面的裂解机理分析26-28
• 1.4 本章结论28-30
• 第二章 乙烷在Co(111)表面的吸附和解离30-49
• 2.1 引言30
• 2.2 计算模型和方法30-32
• 2.3 结果与讨论32-48
• 2.3.1 单吸附的几何构型32-41
• 2.3.2 单吸附时最佳吸附位的态密度(DOS)分析41-44
• 2.3.3 中间体和产物的几何构型44-46
• 2.3.4 C_2H_6在Co(111)表面的裂解机理分析46-48
• 2.4 本章结论48-49
• 第三章 乙烷在Ni(111)表面的吸附和解离49-68
• 3.1 引言49
• 3.2 计算模型和方法49-50
• 3.3 结果与讨论50-67
• 3.3.1 单吸附的几何构型51-60
• 3.3.2 单吸附时最佳吸附位的态密度(DOS)分析60-63
• 3.3.3 中间体和产物的几何构型63-65
• 3.3.4 C_2H_6在Ni(111)表面的裂解机理分析65-67
• 3.4 本章结论67-68
• 第四章 论文总结68-70
• 参考文献70-75
• 硕士期间成果75-76
• 致谢76

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