【摘 要】
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本文用密度泛函理论研究了二氧化碳气氛下乙苯在Fe2O3催化剂上脱氢的反应机理。分别研究了实验中最有可能出现的Fe2O3(0001)三种端面(Fe端面、Ferryl端面和O端面)的催化活性,
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本文用密度泛函理论研究了二氧化碳气氛下乙苯在Fe2O3催化剂上脱氢的反应机理。分别研究了实验中最有可能出现的Fe2O3(0001)三种端面(Fe端面、Ferryl端面和O端面)的催化活性,以及H在三种端面上的脱除方式和CO2的作用。为了研究催化剂的还原对整个脱氢过程的影响,调查了Fe3O4(111)表面上CO2与H的反应。在Fe2O3(0001)表面上对乙苯脱氢的研究表明,在三种端面上,脱氢反应的最低能垒路径都是乙苯先脱亚甲基上的H,再脱甲基上的H。O端面的催化活性比其他两种端面要高很多,但生成的苯乙烯在O端面上很难脱附,会导致副产物和积碳的生成。在Fe端面上,H主要以H2和H2O的形成脱除,其中H与CO2反应生成H2O的能垒更低,所以H2O是主要的H脱除产物。在Ferryl和O端面上,H主要与表面O结合生成H2O,形成的H2O从表面脱附后,会形成表面O缺陷,催化剂被还原,而CO2氧化缺陷表面的能垒太高,所以还原的表面很难被再次氧化,催化剂最终由于过度还原而失活。各种分析表明,Fe端面是实验中主要的反应面。Fe304(111)表面上H与CO2反应的调查显示,H与CO2反应生成H2O的能垒要比在Fe203(0001)上的能垒低很多,这说明部分还原的Fe2+有利于H的脱除,从而有利于乙苯转化率的提高。但Fe3+是乙苯脱氢的活性位,过度还原会导致催化剂失活,所以Fe3+与Fe2+达到一定比例时,反应活性最大。
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