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Ir表面上NH3催化分解与氧化反应机理的理论研究

作　者: 肖香珍
导　师: 曹益林
学　校: 河南师范大学
专　业: 物理化学
关键词: NH3 Ir 吸附 分解 过渡态 第一性原理
分类号: X131.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


NH3是大气污染物之一,对人体和环境有一定程度的危害性,所以必须采取有效的、经济的手段将它们转化或者消除。因此人们提出了各种具体方法,催化氧化与催化分解是其中的两个重要手段,研究结果显示,NH3氧化生成N2和H2O是消除NH3污染的一个好的途径,催化分解更是消除NH3并得到高纯度H2的一条具有良好应用前景的重要途径。因此NH3在金属Ir表面反应机理的研究具有重要的理论意义。无论将NH3通过分解或者氧化转化为N2、H2或H2O,并从原子水平上寻找他们的反应路径,Ir都是一个很好的催化剂。本论文采用密度泛函理论,在slab模型下,研究了NH3在不同Ir表面上的催化分解与氧化行为,结果表明:（1）在Ir（100）表面上,NH3的3a1轨道与Ir的5dz2轨道间的相互作用是NH3稳定吸附于顶位的主要因素;NH2的3a1和1b1与Ir的5dyz态的混合使得NH2稳定吸附于桥位;NH的3a1和1a2轨道与底物Ir的5d z2之间的重组是NH吸附于四重空位的主要因素。在NH3的逐步脱氢反应中,第二步脱氢反应活化能最高,是整个反应的速率控制步骤,而NH2脱氢和加氢活化能都比较高,因此NH2是此表面最稳定物种。（2）考察N-N键形成机理,结果发现,逐步脱氢不是NH3在Ir（100）表面上分解的唯一通道,NH3还可以通过下列途径分解:（3）在Ir（110）表面上,NH3优先吸附于顶位,而NHx（x=1、2）、N、H等均优先吸附于短桥位。在NH3的逐步脱氢分解过程中,N-H键的断裂要比N-N键的形成容易,N2分子的形成是NH3脱氢分解的速控步骤,而NH是该表面上的主要稳定吸附物种。能垒分解表明,反应物的几何形变、反应物与表面之间的相互作用以及过渡态中物种之间的相互作用不利于反应的发生,是构成活化能的主要因素,而过渡态中的物种与表面之间的作用是降低活化能的主要因素。（4）在Ir（111）面上,NH3的吸附机理类似Ir（100）和Ir（110）,NH3通过其孤对电子与底物金属原子的s、d轨道相互作用而吸附于顶位。NH2稳定吸附在Ir（111）上的桥位,主要是由于其3a1和b2轨道与金属Ir原子的5dxz的相互作用,同时b1轨道也与5dxz有微弱作用。NH的1a2轨道与金属Ir原子的5dxz和5dyz轨道的作用使NH稳定吸附于三重空位（fcc）位。NH3的N-H键的断裂活化能较高,N2形成的活化能非常高,因此,NH3在此表面是分子性吸附,与Ir（100）和Ir（110）相比,脱附比分解更容易。（5）在Ir（111）面上,当NHx（x=0、1、2、3）与O、OH、H2O共吸附时,最优共吸附位置显示:O均吸附在fcc位,OH、H2O均在顶位,我们的计算结果表明,NHx与O、OH共吸附时的相互作用是促进了它们在此表面的吸附,NHx与H2O的共吸附作用削弱了彼此在表面的吸附。当O、OH共吸附于表面上时能够促进NHx（x=1、2、3）的N-H键的断裂,并且最终能得到无污染的N2和H2O,其中,NHx（x=1、2、3）与OH的反应的能垒较低,反应更容易进行。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-16
  1.1 背景介绍  10-14
  1.2 研究内容  14-16
第二章 第一性原理的计算方法  16-28
  2.1 Born-Oppenheimer 近似  16-17
  2.2 密度泛函理论  17-18
  2.3 交换相关能  18-19
  2.4 表面建模  19-20
  2.5 Bloch 定理及平面波基组  20-22
  2.6 赝势法  22
  2.7 VASP 软件  22-23
  2.8 振动频率  23-24
  2.9 过渡态的搜索  24-27
    2.9.1 NEB(Nudged elastic band)方法  24-26
    2.9.2 Lanczos 方法  26-27
  2.10 化学动力学  27-28
第三章 NH_3在Ir(100)面上的吸附与脱氢分解  28-38
  3.1 引言  28
  3.2 计算模型与方法  28-29
  3.3 结果与讨论  29-36
    3.3.1 NH_x(x=1~3)在Ir(100)面上的吸附  29-34
    3.3.2 NH_3 在Ir(100)面上的脱氢分解  34-36
  3.4 小结  36-38
第四章 Ir(100)面上N-N 键形成的可能途径  38-46
  4.1 引言  38
  4.2 计算模型与方法  38-39
  4.3 结果与讨论  39-44
    4.3.1 N_2H_x(x=1~4)在Ir(100)面上的吸附  39-41
    4.3.2 在Ir(100)面上N-N 键的形成途径  41-44
  4.4 小结  44-46
第五章 NH_3在Ir(110)面上的吸附与脱氢分解  46-56
  5.1 引言  46
  5.2 计算模型与方法  46-47
  5.3 结果与讨论  47-55
    5.3.1 在Ir(110)表面NH_x(x=0~3)、H 和N_2 的吸附  47-51
    5.3.2 NH_3 的脱氢分解  51-55
  5.4 小结  55-56
第六章 NH_3在Ir(111)面上的吸附与脱氢分解  56-66
  6.1 引言  56
  6.2 计算模型与方法  56-57
  6.3 结果与讨论  57-64
    6.3.1 NH_x 在Ir(111)面上的吸附  57-62
    6.3.2 NH_3 在Ir (111)面上的脱氢分解  62-64
    6.3.3 NH_3 逐步脱氢反应的速率常数  64
  6.4 小结  64-66
第七章 NH_3在Ir(111)面上的氧化反应  66-76
  7.1 引言  66
  7.2 计算模型与方法  66-67
  7.3 结果与讨论  67-73
    7.3.1 H_20/OH/O/N_2/NO 在Ir(111)面上的吸附  67-68
    7.3.2 NH_x+O/NH_x+OH/NH_x+H_20/N+N/N+N+O 的共吸附  68-70
    7.3.3 NH_3 在Ir(111)面上的氧化反应  70-73
    7.3.4 NH_x 各反应的速率常数  73
  7.4 小结  73-76
第八章 结论与展望  76-78
参考文献  78-91
致谢  91-92
攻读学位期间发表的学术论文目录  92-93

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境科学基础理论 > 环境化学 > 环境污染化学 > 大气污染化学
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