费托（F-T）合成反应机理的表面科学研究

This project is to study the reaction mechanism of Fischer-Tropsch (F-T) synthesis with surface science approach. We will systematically investigate the mechanism of some of the key steps of F-T synthesis, including CO adsorption and dissociation, O removal reaction, C1 species adsorption and their interconversion, on Ru(001) and Ru(111) surfaces. The techniques involved are Scanning Tunneling Microscopy (STM), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy （UPS）, Reflection Absorption Infrared Spectroscopy (RAIRS), Temperature Programmed Desorption (TPD), Auger Electron Spectroscopy (AES), Low Energy Electron Diffraction (LEED), theoretical calculation of Density Function Theory (DFT) and ab initio Molecular Dynamics (AIMD). We expect to get deep understanding of these key steps and help to build up a comprehensive F-T mechanism. This will lead us to precisely control the reactivity and selectivity of F-T synthesis, and will provide guidance to the development of catalyst and process of F-T synthesis.

本项目将采用表面科学的研究方法对F-T合成反应机理进行研究。我们将选取具有代表性的Ru(001)和Ru(111)单晶表面，运用一系列互为补充的表面科学技术（包括扫描隧道电镜、X光电子能谱、紫外光电子能谱、反射吸收红外光谱、程序升温脱附、俄歇电子能谱、低能电子衍射），并且结合密度泛函和从头算分子动力学的理论计算，对F-T合成反应过程中CO吸附与解离、O移除、C1单体形成等关键反应过程进行系统性的比较研究，从而加深对F-T反应机理的认识。

煤制油技术在我国具有重要的能源安全战略意义和良好的经济效益。费托合成反应作为煤制油的核心反应，虽然一直受到广泛的研究，然而其反应机理仍不是特别清楚。本项目采用表面科学和催化科学相结合的技术手段，着重研究费托合成反应在钌和钴金属上面的反应机理。在钌表面研究了氧的移除反应，发现表面吸附氧随温度升高向体相扩散。在Ru(0001)表面饱和吸附的氧(Ru(0001)-(2x1)-0.5 ML O)很容易被氢气和一氧化碳反应移除至0.25 ML (Ru(0001)-(2x2)-0.25 ML O)，但是随后的移除反应非常困难。这表明氧的移除反应很可能是费托合成反应的速控步骤。为了研究钴基催化剂，我们尝试了分别在Au(111)、Ru(0001)和氧化铝/NiAl(110)上面制备钴和碳化钴的模型催化剂，发现在氧化铝/NiAl(110)上金属钴具有非常好的高温稳定性，这一特点使Co/氧化铝/NiAl(110)可以作为非常理想的费托合成反应模型催化剂。我们还发现碳化钴在加热后分解为具有hcp结构的金属钴，表现出优于金属钴催化剂的催化性能。这些发现，再结合对模型催化剂体系更深入的研究，将帮助我们更加深入的理解费托合成反应机理，进而指导费托合成反应的工业应用。