理論電催化


謝邀。

要想理解Norskov的火山圖,比較好的思路是:

反應機理 --&> 微觀動力學模型 --&> BEP關係 --&> Scaling Relation --&> Volcano Plot

下面簡單的說一下邏輯:

  • 你對一個反應提出了一個機理: R
ightarrow X_1
ightarrow X_2 
ightarrowcdotcdotcdot
ightarrow X_N
ightarrow P ,那麼每一步反應的速率常數可以寫成: r_i=k_i[X_{i-1}]^{alpha_i} ,其中 X_0=R (反應物), alpha_i 為反應級數, r_i,k_i 分別為第i步反應的速率以及速率常數。
  • 得到了所以步驟的速率之後,下面要進行簡化,這裡主要有兩種途徑:(1)決速步驟近似(2)穩態近似。決速步驟就是說,一個反應的速率由一個反應步驟決定,有點個人英雄主義色彩;而穩態近似說的是:大家的速率都一樣,有點共產主義色彩
  • 不管你的假設是怎麼樣的,都會牽扯到一個問題:最後總的速率常數由指前因子 A 和活化能 E_a 所決定: k=Aexp(-frac{E_a}{RT}) 。那麼怎麼才能方便的求出這兩個量呢?
  • 對於指前因子,可以很粗暴:都假設它們為 10^{13} (對於表面催化反應而言)。而對於活化能,依靠NEB演算法進行過渡態計算是可以的。但更簡單的是用BEP(Brphinsted-Evans-Polanyi)關係得到: E_a^i=alphaDelta G_i+eta 得到。
  • 但是在這裡, Delta G_i 又牽扯到許許多多中間物的吸附能。那我又想偷個懶,我能不能只關注1~2種中間物的吸附能,而其他所有中間物的吸附能都根據這兩種吸附物推導出來呢?答案就是Scaling Relation,例如 Delta G_{ads}(OOH)=Delta_{ads}(OH)+3.2eV (當選擇 H_2O,H_2 作為參考物質時)。這樣你就可以把很多的吸附能與1~2種物質的吸附能之間建立聯繫。這1~2種吸附能就被我們稱為「描述符」(descriptor)
  • 當有了總的速率 r 以後,用 r 對描述符進行作圖,就可以得到你所謂的「火山圖」理論了。

以上只是粗略的講了一下,其中還有不少細節。如果有其他問題,歡迎留言一起討論。


如果想深入了解,並且想真正在體系中運用的話。可以參考Norskov組的一篇文章(主要介紹CatMap的):

CatMAP: A Software Package for Descriptor-Based Microkinetic Mapping of Catalytic Trends?

link.springer.com圖標

它的官方網站為:

Welcome to CatMAP』s documentation!?

catmap.readthedocs.io


《Fundamental Concepts in Heterogeneous Catalysis》 Jens K. N?rskov, Felix Studt, Frank Abild-Pedersen, Thomas Bligaard【摘要 書評 試讀】圖書?

www.amazon.cn圖標

這本就是理論基礎,網上有電子版。主要看第34567章。

第三章表面反應平衡,主要引入構型熵概念。

第四章速率常數,就是阿倫尼烏斯公式。

第五章表面總反應的動力學推導。

第六七章就是火山形曲線的來歷了。

內容很少,模型比較簡單(簡單的物化知識),學起來很快。

資料庫就用catapp。


火山形曲線本質上就是基元反應決速步轉化,以及能量的線性關係。


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