C2H4在Fe3C(100)表面吸附及脱氢裂解的密度泛函理论研究

doi:10.1016/S1872-2067(12)60703-7

催化学报 ›› 2014, Vol. 35 ›› Issue (1): 28-37.DOI: 10.1016/S1872-2067(12)60703-7

C₂H₄在Fe₃C(100)表面吸附及脱氢裂解的密度泛函理论研究

王丙寅^a,b, 于小虎^a, 霍春芳^a,c, 王建国^a, 李永旺^a,c

a 中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室, 山西太原 030001 ;
b 中国科学院大学, 北京 100049;
c 中科合成油技术有限公司国家能源煤制液体燃料研发中心, 北京 101407

收稿日期:2013-07-29 修回日期:2013-09-02 出版日期:2013-12-23 发布日期:2014-01-17
通讯作者: 霍春芳
基金资助:
国家重点基础研究发展计划（973计划，2011CB201401）；国家自然科学基金（21273261）

Density functional theory study of the adsorption and reaction of C₂H₄ on Fe₃C(100)

Bingyin Wang^a,b, Xiaohu Yu^a, Chunfang Huo^a,c, Jianguo Wang^a, Yongwang Li^a,c

a State Key Laboratory of Coal Conversion, Institute of Coal Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Taiyuan 030001, Shanxi, China;
b University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
c National Energy R&D Center for Coal to Liquid Fuels, Synfuels China Co. Ltd, Beijing 101407, China

Received:2013-07-29 Revised:2013-09-02 Online:2013-12-23 Published:2014-01-17
Contact: Chunfang Huo
Supported by:
This work was supported by the National Basic Research Program of China (973 Program, 2011CB201401) and the National Natural Science Foundation of China (21273261).

摘要/Abstract

摘要：

采用自旋极化密度泛函理论和周期平板模型，对C₂H₄在铁基费托合成催化剂活性相之一Fe₃C（100）表面从热力学和动力学两个方面分析了C₂H₄在Fe₃C（100）表面进行脱氢和裂解反应的竞争性。结果表明，C₂H₄在Fe₃C（100）表面的μ-bridging吸附比π、di-σ吸附更加稳定；C₂H₄与Fe₃C（100）面的相互作用导致C₂H₄的C原子部分发生重新杂化（sp²→sp³），使C原子呈近四面体结构。在Fe₃C（100）表面C₂H₄易于发生脱氢反应，C-C键裂解反应不具有竞争性。亚乙烯基CCH₂和乙烯基CHCH₂是Fe₃C（100）表面最丰的C₂物种，或是C₂H₄参与链增长的主要单体形式。

关键词: 乙烯, 碳化铁, 吸附, 脱氢, 裂解, 费托合成, 密度泛函理论

Abstract:

Spin-polarized density functional theory (DFT) and a periodic slab model were employed to investigate the adsorption of C₂H₄ on Fe₃C(100), which is an active phase of an Fe-based catalyst for Fischer-Tropsch synthesis. The competition between dehydrogenation and cleavage of C₂H₄ was analyzed. The μ-bridging adsorption mode is more stable than the π or di-σ adsorption modes. Partial rehybridization of the C atoms of C₂H₄ (sp²→sp³) caused by the interaction of C₂H₄ with the Fe₃C(100) surface resulted in the C atoms in C₂H₄ having a quasi-tetrahedron geometry. On Fe₃C(100) dehydrogenation of C₂H₄ occurs, while C-C bond cleavage is not competitive. The calculations indicated that vinylidene (CCH₂) and vinyl (CHCH₂) species are the most abundant C₂ species, which may be the major monomeric forms of C₂H₄ in the chain growth in Fischer-Tropsch synthesis.

Key words: Ethylene, Cementite, Adsorption, Dehydrogenation, Cleavage, Fischer-Tropsch synthesis, Density functional theory

王丙寅, 于小虎, 霍春芳, 王建国, 李永旺. C₂H₄在Fe₃C(100)表面吸附及脱氢裂解的密度泛函理论研究[J]. 催化学报, 2014, 35(1): 28-37.

Bingyin Wang, Xiaohu Yu, Chunfang Huo, Jianguo Wang, Yongwang Li. Density functional theory study of the adsorption and reaction of C₂H₄ on Fe₃C(100)[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2014, 35(1): 28-37.

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C₂H₄在Fe₃C(100)表面吸附及脱氢裂解的密度泛函理论研究

Density functional theory study of the adsorption and reaction of C₂H₄ on Fe₃C(100)

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