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本文主要用Monte Carlo方法模拟了CO在Pt(100)表面的催化氧化反应,重点研究了催化表面的诱导相变(α→β)、CO的脱附和温度等因素对反应的影响。我们使用了A+B→0和A+1/2B2→0这两个不同的反应模型,其中A代表CO,从不同方面对CO的催化氧化反应进行研究和模拟。
在A+B→0反应模型中,我们主要考察了CO在催化表面上的脱附和催化表面诱导相变等因素对反应的影响。脱附速率Vd对反应有较大的影响,可以分为三种情况:当气体A的吸附速率PA很小时,脱附降低了吸附物A的浓度,同时也降低吸附物B和β相浓度及反应速率;对于中等的PA(PA<0.51),随着Vd的增加,反应速率明显减小,这说明脱附是不利于反应的;当PA>0.51时,此时A的吸附非常快,而脱附降低了A的吸附,从而减缓了中毒的发生,使反应速率明显增加。因此,脱附使反应的PA范围取值变宽。诱导相变的因素对反应的作用主要体现在CO吸附速率较小的时候。在PA很小时,诱导相变降低A的浓度,但增加B和β相的浓度及反应速率。但当PA较大时,诱导相变对反应几乎没有影响。这是因为PA很小时,β相的产生主要来自诱导相变,并导致反应的发生,这个缓慢的反应抑制了A的浓度,使A的浓度从0连续增加。而当PA较大时,系统中已经存在大量的β相,因此诱导相变对反应的影响不大。此外,在我们的模拟中,也出现了浓度振荡现象。
在A+1/2B2→0模型中,我们考虑了粒子间的相互作用能和反应温度。通过设定重构、诱导相变和脱附的势垒能,模拟计算了不同的温度下CO2产生速率与CO吸附速率的关系。我们发现,在一定的温度范围内,温度越高则反应相变点附近发生CO中毒的趋势越缓慢,温度越低则由高反应区向低反应区的转变越快。温度越高,表面上各种势垒对反应的作用越低,CO在表面的脱附越容易,导致在PA较小时表面不容易产生CO“中毒”。本文各章节的内容安排如下:
第一章:概述了CO在Pt表面的催化氧化问题。主要介绍了这类反应的实验现象,反应的机理和实验结果,还介绍了Pt表面的具体结构和不同表面的反应性质。
第二章:介绍了研究和模拟CO催化氧化反应使用的基本方法以及主要模型。
第三章:采用A+B→0反应模型,研究脱附和诱导相变在反应中的影响。
第四章:采用A+1/2B2→0模型,研究温度的变化引起反应相变和反应区域的变化,并与实验结果进行了比较。