《子表面反應物在鐵基催化劑表界面擴散機制研究》是依託鄭州大學，由沈祥建擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：子表面反應物在鐵基催化劑表界面擴散機制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：沈祥建
- 依託單位：鄭州大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
介質在催化劑表界面的傳遞是十分普遍的，但在實際高溫高壓反應條件下，由於催化劑表界面結構演變具有顯著性（時間尺度快），並發生在分子層面上（空間尺度小），現有動態現場原位實驗技術只能捕捉到十分有限的反應信息，無法取得全面實時的動態信息，更無法跟蹤介質尤其是子表面反應物在催化劑表界面相間的擴散路徑。本項目擬通過密度泛函理論計算結合分子動力學模擬方法來探索反應物在不同鐵基催化劑表界面相間的擴散，重點研究影響子表面反應物碳氫原子或基團等在催化劑表界面擴散過程中的關鍵性熱力學和動力學因素，嘗試提出含子表面反應物參與的新反應機制並驗證其適用性。大尺度分子動力學方法模擬子表面反應物在催化劑表界面的擴散過程，不但為深入研究鐵基FTO反應展示重要的熱力學信息和強勁的動力學模擬依據，還為動態現場原位實驗提供精確的微觀解釋，並進一步加深理解介質在催化劑表界面的傳遞機制。
結題摘要
大多數化工過程涉及到多相反應，尤其是氣-固相之間的強相互作用並產生體相反應物種的反應。為此，反應物種在催化劑表界面的擴散是十分普遍且極其重要的過程，且可對後續化工過程(如催化反應中重要活性相的形成與破壞，材料儲氫等)均起著十分重要的影響。為了彌補現有動態現場原位表征和監測技術只能在一定程度上捕捉到十分有限的擴散信息和釐清子表面反應物種在催化劑表界面的擴散機制，本項目已通過構建原子/分子-金屬催化劑表界面相互作用的高精度勢能面，利用並發展相應的動力學算法，著重討論了氫物種在不同金屬催化劑表界面的擴散動力學。經過3年的項目執行期，取得的研究成果如下：(1) 以氫氧物種在鐵基催化劑表界面吸附與擴散為研究體系，得到了超小鐵團簇具有超強的吸附特性，如Fe4團簇可最多吸附28個氫和11個氧；利用從頭算分子動力學模擬結果進一步表明氫具有交換擴散行為和鐵氧化學鍵長具有兩種典型分布，類似於Fe2O3結構。氫在乾淨鐵表界面擴散動力學表現出“易溢出”的特點。 (2)氫物種在金屬催化劑表界面的擴散機制有兩種：一種是在(100)面上沿著表面Hollow位置斜擴散至子表面sub-bridge位置，需克服較低能壘；另一種是在(111)面上沿著表面Fcc位置直接擴散至子表面sub-Fcc位置，具有最短擴散路程。該擴散機制主要適用於3d和4d金屬催化劑；而氫物種在5d金屬催化劑表界面上卻表現出異常擴散動力學行為，如最低吸附能量位點為表面bridge位置，非傳統的表面hollow位置，且擴散路程較長等特徵。 (3)拓展了甲烷分子-金屬鎳表面相互作用體系，從動力學角度釐清了分子吸附解離過程中的重要影響因素，如表面碰撞位置，方位角等。這些研究成果先後在Journal of Chemical Physics, Journal of Catalysis, Physical Chemistry Chemical Physics等國外重要學術刊物上發表，總計SCI論文12篇。
