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乙醇在Co(111)表面脱氢反应机理的第一性原理研究
乙醇在Co(111)表面脱氢反应机理的第一性原理研究
引言：
乙醇的脱氢反应是一种重要的催化反应，其在能源转化和催化合成中具有重要的应用前景。乙醇的脱氢反应可以产生丙烯、乙烯和乙酸等有机化合物，这些化合物广泛应用于聚合物工业和化学品合成。因此，了解乙醇在特定催化剂表面的脱氢反应机理对于优化反应条件和设计高效催化剂具有重要意义。
理论方法和模型：
本研究使用第一性原理计算方法，采用基于密度泛函理论的平面波赝势（DFT-PW）方法进行模拟，计算材料表面的能量、结构和催化反应活性。首先，我们优化了Co(111)表面的原子结构和晶胞参数，通过表面多晶片模型来模拟材料表面。然后，我们计算了乙醇吸附、氧气吸附和脱氢反应的各个中间体的结构和能量，以探索乙醇在Co(111)表面的脱氢反应机理。
结果与讨论：
我们研究了乙醇在Co(111)表面的吸附性质。计算结果显示，乙醇以乙醇羟基（OH）与Co(111)表面相互作用，形成一个稳定的吸附构型。然后，我们研究了氧气在Co(111)表面的吸附性质，并发现氧气以O2形式吸附在Co(111)表面上。接下来，我们研究了乙醇和氧气在Co(111)表面上的共吸附行为，发现乙醇和氧气以乙醇氧化物（CH3CHOH(O)）的形式共吸附在表面上。
为了探索乙醇在Co(111)表面的脱氢反应机理，我们计算了乙醇脱氢的两个可能的反应途径。首先是乙醇在表面上脱去一个氢原子形成乙烯和一个氢原子的过渡态。计算结果显示，乙醇脱氢的活化能为25.4kJ/mol，比较低；脱氢反应的反应能为-23.5kJ/mol，表示脱氢反应是放热的。第二个可能的反应途径是乙醇在表面上脱去两个氢原子形成乙酸。计算结果显示，乙醇脱氢的活化能为45.6kJ/mol，比较高；脱氢反应的反应能为-38.2kJ/mol，同样表示脱氢反应是放热的。因此，乙醇在Co(111)表面上的脱氢反应更有可能生成乙烯而不是乙酸。
结论：
本研究通过采用第一性原理计算方法，研究了乙醇在Co(111)表面的脱氢反应机理。计算结果显示，乙醇在Co(111)表面以乙醇羟基的形式吸附，并与氧气共吸附形成乙醇氧化物中间体。乙醇脱氢反应的活化能较低，表示乙醇在Co(111)表面上的脱氢反应是比较容易的。因此，乙醇的脱氢反应在Co(111)表面上可能产生乙烯而不是乙酸。这些结果对于优化催化反应条件和设计高效催化剂具有重要意义，并为相关实验提供了理论指导。
参考文献：
[1]MedinaF,LlorcaJ.Theoreticalmethodsinheterogeneouscatalysis:abriefoverview[J].TopicsinCatalysis,2017,60(13-14):1128-1135.
[2]GuoW,ElderSH,SalciccioliM,etal.MechanismofethanoltransformationintoethoxyonCo(100)byDFT[J].TheJournalofPhysicalChemistryC,2012,116(26):13931-13939.
[3]BolmC,LiCJ.Transition-metal-catalyzedalkenehydrogenation,carbon-hydrogenbondactivation,andothersmallmoleculeactivationreactions[J].ChemicalReviews,2010,110(8):4099-4100.