基于DFT计算氧化钨氢还原过程机理

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目前工业上制备超细纳米钨粉最广泛的方法氢气还原氧化钨,许多研究者对制备纳米钨粉的工艺进行了大量的工作进行研究,但是对还原过程中的吸附还原机理认识仍不明确和统一。因此,从氧化钨的晶体结构出发来研究氢气还原过程中的机理。本文以Materials Studio软件和深圳超算中心计算服务平台,通过DFT计算方法研究了黄钨、紫钨和蓝钨的晶体结构,以及氢气在晶体表面的还原机理的研究。研究结果如下:H2分子距离黄钨(001)面原子高度大于0.8?以上,H2分子受到的作用力较小,使的氢分子难以分解成氢原子,难以与表面发生化学反应,而远离晶体表面发生物理吸附。H2分子距离黄钨(001)面原子高度小于0.8?,H2分子受到的力作用较大,氢分子分解成2个氢原子,氢原子与表面原子发生化学反应,生成W-H键或H-O键,则发生化学吸附。氢气分子在W18O49(010)面O终止面特殊结构吸附,在O-H2-O1c构型中,还原生成一个水分子,但水分子中的O原子连接的W原子缺电子,使得W-O键作用力强,水分子未脱离晶体表面。在O-H2-O3c的结构中,氢原子吸附在氧原子上,生成羟基(-OH)结构。在热力学过程中,羟基结构生成证明了氢气还原氧化钨过程中会生成水合物WO2(OH)2。当氢气分子在W18O49(010)面WO终止面特殊结构吸附,在WO-H2-O3c和WO-H2-O2c构型中,氢气吸附在晶体表面,结构中多个W-O键断裂,生成W-W金属键,晶体结构发生变化,晶体体系的整体能量大幅度降低,结构向更稳定态转变。氢原子在W20O58(010)WO终止面吸附时,在WO-WH-OH结构中,氢原子吸附使W-O键的断裂,氧空位处结构发生改变,有新的W-O键和W-W金属键生成。在WO-W2H-O2H模型中,氢气还原氧原子生成水分子并脱离表面形成单独的水分子。这是氧化钨被氢气还原制备纳米钨粉的过程,氧化钨转变为粉。氢气在O终止面是,当氢气吸附在氧空位处的O的1配位和2配位原子时,生成水分子但是未脱离表面,原因是氧空位是的W原子对O原子的作用力增强而未发生解离,当氢气吸附在远离空位处的O原子时,O原子被还原生成水分子并发生解离。
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