铁基薄层费托合成模型体系表界面的理论计算研究

Nowadays, energy independence is an important global political subject and domestic coal utilization for the production of ultra-pure fuels using the Fischer-Tropsch synthesis process is one expected way to mitigate energy supply and environment issue. Iron-based Fischer-Tropsch catalyst is an inexpensive and high efficient industrial catalyst. However, its active carbidic form posses complex structure and changeable phase under operation condition, which limit the fundamental insight on the reaction mechanism and hinder the development of next generation catalyst. The advance of high-level computation chemistry and surface science open up new opportunity to study the microscopic structure and reaction mechanism at atomic level. In the present project we propose that combining high-level quantum mechanism calculation and molecular dynamics with surface science, focusing on the model systems of thin film FeCx and FeOx on noble metal surfaces to study the electronic structure, spectroscopy and reaction mechanism, which will provide an atomic level understanding of the process and will make the further optimization of Fischer-Tropsch catalyst possible.

能源关乎国计民生和战略安全，通过费托合成技术利用国内丰富的煤炭资源来生产高纯度的燃油，是缓解中国能源供应和环境问题的重要途径之一。铁基催化剂作为相对廉价的费托合成工业催化剂，其结构复杂，物相多变，导致对费托合成反应机理的认识有限，在开发高性能催化剂过程中面临困境。高精度的量子化学计算结合表面科学技术为研究原子层面的微观结构和反应机理提供了新的途径。该项目拟利用高精度量子化学计算及分子动力学方法以贵金属单晶表面上碳化铁（FeCx）和氧化铁（FeOx）单层薄膜作为模型催化剂研究该体系的电子性质、谱学性质和费脱反应基元步骤的反应机理等。通过理论模拟和STM等表面实验结合进一步加深对费托合成反应机理的理解，为开发新一代费托合成催化剂提供必要的理论基础。

催化科学是解决日益严峻的能源危机的关键之一，理解催化剂结构与性质的关联并以此设计高效廉价且环保的新型催化剂是其核心问题之一。基于量子力学的理论计算方法在催化基础问题的研究中发挥着越来越重要的作用，特别是从电子结构层面认识催化剂活性中心和催化反应发生的过程。相较于定量地模拟真实催化剂的反应过程，理论计算更重要的作用是通过模型催化体系从概念上提供对催化机理的新认识。二维材料具有优异的物理化学性能和确定的晶体结构，是在实验与理论计算之间建立起关键桥梁的模型催化体系。本文选择了能源转化中重要的铁基催化剂为研究对象，利用二维材料平台构建了表面的单层碳化铁和氧化铁和铁原子掺杂的二维材料（Fe@2D）模型催化体系。在研究过程中，我们紧密地与 STM 等实验进行合作，利用多种理论计算手段，研究了其几何和电子结构、对分子的吸附和活化能力以及形成过程。在 Fe@2D 体系中，细致分析了其物理化学性质、电子结构和化学活性，致力于理解铁的电子性质和催化活性被其化学环境所调变的规律和机制。在研究过程中，我们根据主要的研究目标，适当的进行深化和拓展，不仅发挥了理论计算在基础机理研究中的优势，同时开发了通用的应用程序，为未来的开发提供了便利。本文研究结果对认识铁基催化剂的结构与催化性能，进而开发更为高效的催化剂具有重要的指导意义，对其他催化体系的研究也有重要借鉴意义。