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

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1、乙烷在Fe(110)、Co(111)、Ni(111)表面吸附及解离的DFT研究专业：环境科学研究生：张福兰指导教师：李来才摘要：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TCzH6裂解反应过程各驻点在Fe(110)表面的top、hop、SB、LB位，在Co(111)和Ni(111)表面的top、foe、hcp、brid

2、ge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、CI-14、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．34

3、5．63k．1·mol一：在吸附过程中，物种C2fi6、C2H5、C2H4、CH2和H将电荷转移给Fe(1lO)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；C2战在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(1lo)+C2H矿Fe(110)．C21-16哼TS3--·M2呻TS4--,P2，其主产物为Cm和CH2。(2)当C2成在Co(I11)表面裂解时，C2HF、C2H5、C2H4、C地、CH3、CH2、H2和H在Co(111)表面稳定吸附

4、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．338．461(J-tool"1，在吸附过程中，物种C2凰、C2I王4、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蚶·tool"1，而C—H解离的速控步骤活化能为180．9kJ·too

5、l"1，故C-H解离占优势，主反应通道为Co(111)+C2H6--,'Co(111)-C2HpTSl一-IMI--*TS加P1，其主产物为C2H4和H2。(3)当C2H6在Ni(111)表面裂解时，C2H6、C2H5、C2H4、CI-h、CH3、CH2、H2和H在Ni(111)表面稳定吸附位分别为top、hq,、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、一296．60、。12．19和．352．13kJ·tool"1，在吸附过程中，物种C2H5、C

6、2H4、CH3、CH2和H将电荷转移给Ni(111)表面，而C2玩、CI-h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257．9kJ·tool～，而C．H解离的速控步骤活化能为159．8U·tool一，故C．H解离占优势，主反应通道为Ni(111)+C2H—Ni(111)．C2H—TSl-．．,D讧1·TS2呻P1，其主产物为C2H4和H2。综上所述，第一过渡金属Fe、C0、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：Fc(

7、110)表面；Co(111)表面；Ni(111)表面：密度泛函理论：电子结构：过渡态TheoreticalStudyontheAdsOrptionandDecompositionofEthaneovertheFe(110)，Co(111)andNi(111)SurfaceMajor：EnvironmentalScienceGraduateStudent．ZhangFu-lanSupervisor：ProfessorLilai·eaiAbstractTheinvestigationthatthefirsttransition-metalforminget

8、hylenecatalyzedbyethaneisveryconcernedbyresearc