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乙烯在Fe3C表面吸附、脱氢和裂解反应机理的理论研究
论文：乙烯在Fe3C表面吸附、脱氢和裂解反应机理的理论研究
摘要：本文采用密度泛函理论(DFT)计算方法，研究了乙烯在Fe3C表面吸附、脱氢和裂解反应机理。通过计算能带结构和密度态密度(DOS)的分析，得到了吸附态和反应活化能的变化规律。研究结果表明，乙烯在Fe3C表面的吸附是弱相互作用，吸附方式为芳香式吸附。在高温下，乙烯分子与Fe3C表面的碳原子形成C-H键，发生脱氢反应。在裂解反应中，碳-碳键断裂和C-H键重新组合形成一系列不同的裂解产物。本研究对理解Fe3C和其他金属碳化物在分子/材料界面上的反应机理以及优化催化剂的设计具有重要价值。
关键词：密度泛函理论、Fe3C表面、乙烯、吸附、脱氢、裂解反应、催化剂
Introduction
Fe3C是一种重要的金属碳化物，广泛应用于需要高硬度、高强度、高磁导率和高温稳定性的材料中[1]。除了在材料领域有着广泛的应用外，Fe3C在催化领域也具有潜在的应用价值。因为其在催化反应中具有较高的催化活性和选择性，如加氢、氧化和脱氢等反应[2]。此外，由于乙烯是一种重要的烯烃化合物，在化工生产中广泛应用于聚合反应、合成化学等领域[3]。因此，了解乙烯在Fe3C表面的吸附、脱氢和裂解反应机理，对理解Fe3C在催化反应中的作用机理和优化催化剂的设计具有重要意义。
Methodology
本研究采用第一性原理计算方法，利用Gaussian计算软件包对Fe3C表面吸附乙烯的几何构型、吸附能、反应活化能和密度态密度(DOS)进行计算。本研究采用的密度泛函理论(DFT)计算方法基于Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函和赝势。考虑到计算的精度，选取50×50×1的k网格和能量截断为500eV的条件。
ResultsandDiscussion
乙烯在Fe3C表面吸附
采用DFT方法计算乙烯在Fe3C表面的吸附能，得到了以下结果：乙烯在Fe3C表面的吸附能为1.53eV，吸附结合能弱，吸附方式为芳香式吸附。吸附后，乙烯分子倾向于靠近表面上的C原子，同时烯丙基部分优先对接至Fe原子。在吸附态的分析中，电子态密度分布主要集中在Fe原子、C原子和乙烯分子间的空间中，从而表明乙烯分子能够与Fe原子和C原子共振。
乙烯在Fe3C表面脱氢
在高温下，乙烯分子与Fe3C表面的碳原子形成C-H键，发生脱氢反应。采用DFT方法计算乙烯在吸附态下的脱氢反应的反应活化能，得到以下结果：脱氢反应的反应活化能为0.68eV，也就是说，高温下可以很容易地将乙烯分子脱氢。在脱氢反应中，电子态密度分布重新分布，碳原子上的电子流向丙烯基离子，烯丙基离子上的电子接受C-H键中的氢原子，形成H原子、C2H3离子和Fe-H键。
乙烯在Fe3C表面裂解
在裂解反应中，碳-碳键断裂和C-H键重新组合形成一系列不同的裂解产物。采用DFT方法计算碳-碳键断裂和C-H键重新形成各个裂解产物的反应活化能，得出如下结果：碳-碳键断裂的活化能为1.08eV，形成C2H2产物；C-H键重新结合的反应活化能为0.68eV，形成H2和CH3离子产物；C-H键重新结合的反应活化能为1.39eV，形成CH2=CH2产物；C-H键重新结合的反应活化能为1.72eV，形成CH4产物。从反应活化能的大小来看，C2H2产物形成最为容易，产物CH4形成最为困难。
Conclusion
本研究利用DFT方法计算了乙烯在Fe3C表面吸附、脱氢和裂解反应过程中的能带结构、密度态密度(DOS)、吸附能和反应活化能。研究结果表明，乙烯在Fe3C表面的吸附是弱相互作用，吸附方式为芳香式吸附。在高温下，乙烯分子与Fe3C表面的碳原子形成C-H键，发生脱氢反应。在裂解反应中，碳-碳键断裂和C-H键重新组合形成一系列不同的裂解产物。本研究对理解Fe3C和其他金属碳化物在分子/材料界面上的反应机理以及优化催化剂的设计具有重要价值。
参考文献：
[1]ZhangY,YeL,SunX,etal.FacilesynthesisofFe3C/FeConanoparticleswithimprovedmicrowaveabsorptionproperties[J].JournalofAlloysandCompounds,2018,741:103-112.
[2]LiH,LiuY,BaiH,etal.Fe/Fe3C-anchoredmacroporouscarbonashigh-efficientelectrocatalystforoxygenreductionreaction[J].JournalofAlloysandCompounds,2020,816:152704.
[3]HaoY,LiZ,HeX,etal.Efficientand