1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Журнал физической химии
  4. T. 97, № 8, 2023

Журнал физической химии, 2023, T. 97, № 8, стр. 1181-1191

DFT-исследование потенциальных барьеров и траектории адсорбции/десорбции CO2 и диссоциации CO2 на кластеры, моделирующие поверхности Fe (100), (110) и (111)

Н. Н. Толкачев a, *, Я. А. Покусаева a, В. И. Богдан a

a Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук
119991 Москва, Россия

* E-mail: nick33@ioc.ac.ru

Поступила в редакцию 30.09.2022
После доработки 22.11.2022
Принята к публикации 15.02.2023

Аннотация

Расчеты по теории функционала плотности (DFT) были выполнены для исследования влияния типа кристаллографической поверхности железа на потенциальный барьер адсорбции и десорбции CO2, а также траекторию движения CO2. С использованием оригинальной методики моделирования процессов адсорбции и десорбции найдено, что потенциальный барьер адсорбции CO2 на Fe (111) практически отсутствует (~0.01 эВ). В то же время потенциальные барьеры адсорбции CO2 на Fe (100) и Fe (110) составляют 0.10 эВ и 0.26 эВ соответственно. Наиболее стабильной конфигурацией адсорбции CO2 на рассматриваемых гранях Fe является CO2, адсорбированный на Fe (111) с тепловым эффектом –1.16 эВ, тогда как энергии адсорбции CO2 на Fe (100) и Fe (110) составляют –0.87 и –0.15 эВ соответственно. Найденные значения хорошо согласуются с литературными данными. Было показано, что в случае плоских граней Fe (100) и (110) наиболее энергетически выгодная траектория адсорбции CO2 проходит через мостиковую форму адсорбции (расположенную вблизи двух соседних атомов Fe). Тенденция к самопроизвольной диссоциации молекулы CO2 на стадии десорбции была обнаружена на расстоянии ~2.66 Å от поверхности Fe (100). Анализ заряда десорбирующейся молекулы СО2 и распределения спиновой плотности электронов позволяет сделать вывод, что диссоциация вызвана возбуждением молекулы CO2, сопровождающейся перестройкой спиновой плотности как молекулы СО2, так и поверхностных атомов Fe (100), а не переносом заряда, как это было показано ранее. Диссоциация CO2 на стадии адсорбции на грани Fe (100) не была обнаружена на кластерах, моделирующих другие грани Fe.

Ключевые слова: расчеты DFT, кристаллографические поверхности Fe, диоксид углерода, потенциальные барьеры адсорбции, диссоциация CO2

Список литературы

  1. Wang W., Wang Sh., Ma X., Gong J. // Chem. Soc. Rev. 2011. V. 40. № 7. P. 3703.

  2. Yang H., Zhang Ch., Gao P. et al. // Catal. Sci. Technol. 2017. № 7. P. 4580.

  3. Wang W., Gong J. // Front. Chem. Sci. Eng. 2011. № 5. P. 2.

  4. Bogdan V.I., Pokusaeva Ya.A., Koklin A.E. et al. // Energy Technology. 2019. № 7. P. 1900174.

  5. Boreriboon N., Jiang X., Song Ch., Prasassarakich P. // Top. Catal. 2018. T. 61. P. 1551.

  6. Pokusaeva Ya.A., Koklin A.E., Lunin V.V., Bogdan V.I. // Mend. Comm. 2019. V. 29. P. 382.

  7. De Smit E., Cinquini F., Beale A.M. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. № 42. P. 14928.

  8. Solymosi F. // J. Molec. Catal. 1991. V. 65. P. 337.

  9. Freund H.-J., Roberts M.W. // Surf. Sci. Rep. 1996. V. 25. № 8. P. 225.

  10. Nassir M.H., Dwyer D.J. // J. Vac. Sci. Technol. A. 1993. V. 11. P. 2104.

  11. Heß G., Baumgartner C., Petkova A., Froitzheim H. // Surf. Sci. 2004. V. 572. P 355.

  12. Seyller T., Borgmann D., Wedler G. // Ibid. 1998. V. 400. P. 63.

  13. Meyer G., Reinhart E., Borgmann D., Wedler G. // Ibid. 1994. V. 320. P. 110.

  14. Glezakou V.-Al., Dang L.X. // J. Phys. Chem. C. 2009. V. 113. P. 3691.

  15. Wang H., Nie X., Chen Y. et al. // J. CO2 Util. 2018. V. 26. P. 160.

  16. Wang H., Nie X., Guo X., Song Ch. // J. CO2 Util. 2016. V. 15. P. 107.

  17. Kwawu C.R., Tia R., Adei E. et al. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2017. V. 19. P. 19478.

  18. Jonsson H., Mills G., Jacobsen K.W. “Nudged elastic band method for finding minimum energy path of transitions.” in “Classical and Quantum Dynamics in Condensed Phase Simulations” Edition B / Eds. J. Berne, G. Ciccotti and D.F. Cooker. Singapore: World Scientific, 1998, P. 385.

  19. Liu X., Sun L., Deng W.-Q. // J. Phys. Chem. C. 2018. V. 122. P. 8306.

  20. Neese F. Wiley interdisciplinary Reviews − Computational Molecular Science. 2012. V. 2. № 1. P. 73.

  21. Weigend F., Ahlrichs R. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2005. V. 7. P. 3297.

  22. Rappoport D., Furche F. // J. Chem. Phys., 2010. V. 133. P. 134105.

  23. Weigend F. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2006. V. 8. P. 1057.

  24. Hellweg A., Hattig C., Hofener S., Klopper W. // Theor. Chem. Acc. 2007. V. 117. P. 587.

  25. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. // Phys. Rev. Lett. 1997. V. 78. P. 1396.

  26. https://www.open-mpi.org/software/ompi/v3.1

  27. Momma K., Izumi F. // J. Appl. Crystallogr. 2011. V. 44. P. 1272.

  28. http://www.jmol.org/

  29. Allouche A.R. // J. Comp. Chem. 2011. V. 32. № 1. P. 174.

  30. Li H.-J., Ho J.-J. // J. Phys. Chem. C. 2010. V. 114. P. 1194.

  31. Taifan W., Boily J.-F., Baltrusaitisa J. // Surf. Sci. Rep. 2016. V. 71. № 4. P. 595.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Журнал физической химии

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал