理论电催化


谢邀。

要想理解Norskov的火山图,比较好的思路是:

反应机理 --&> 微观动力学模型 --&> BEP关系 --&> Scaling Relation --&> Volcano Plot

下面简单的说一下逻辑:

  • 你对一个反应提出了一个机理: R
ightarrow X_1
ightarrow X_2 
ightarrowcdotcdotcdot
ightarrow X_N
ightarrow P ,那么每一步反应的速率常数可以写成: r_i=k_i[X_{i-1}]^{alpha_i} ,其中 X_0=R (反应物), alpha_i 为反应级数, r_i,k_i 分别为第i步反应的速率以及速率常数。
  • 得到了所以步骤的速率之后,下面要进行简化,这里主要有两种途径:(1)决速步骤近似(2)稳态近似。决速步骤就是说,一个反应的速率由一个反应步骤决定,有点个人英雄主义色彩;而稳态近似说的是:大家的速率都一样,有点共产主义色彩
  • 不管你的假设是怎么样的,都会牵扯到一个问题:最后总的速率常数由指前因子 A 和活化能 E_a 所决定: k=Aexp(-frac{E_a}{RT}) 。那么怎么才能方便的求出这两个量呢?
  • 对于指前因子,可以很粗暴:都假设它们为 10^{13} (对于表面催化反应而言)。而对于活化能,依靠NEB演算法进行过渡态计算是可以的。但更简单的是用BEP(Brphinsted-Evans-Polanyi)关系得到: E_a^i=alphaDelta G_i+eta 得到。
  • 但是在这里, Delta G_i 又牵扯到许许多多中间物的吸附能。那我又想偷个懒,我能不能只关注1~2种中间物的吸附能,而其他所有中间物的吸附能都根据这两种吸附物推导出来呢?答案就是Scaling Relation,例如 Delta G_{ads}(OOH)=Delta_{ads}(OH)+3.2eV (当选择 H_2O,H_2 作为参考物质时)。这样你就可以把很多的吸附能与1~2种物质的吸附能之间建立联系。这1~2种吸附能就被我们称为「描述符」(descriptor)
  • 当有了总的速率 r 以后,用 r 对描述符进行作图,就可以得到你所谓的「火山图」理论了。

以上只是粗略的讲了一下,其中还有不少细节。如果有其他问题,欢迎留言一起讨论。


如果想深入了解,并且想真正在体系中运用的话。可以参考Norskov组的一篇文章(主要介绍CatMap的):

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

link.springer.com图标

它的官方网站为:

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 书评 试读】图书?

www.amazon.cn图标

这本就是理论基础,网上有电子版。主要看第34567章。

第三章表面反应平衡,主要引入构型熵概念。

第四章速率常数,就是阿伦尼乌斯公式。

第五章表面总反应的动力学推导。

第六七章就是火山形曲线的来历了。

内容很少,模型比较简单(简单的物化知识),学起来很快。

资料库就用catapp。


火山形曲线本质上就是基元反应决速步转化,以及能量的线性关系。


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