碳化钨表面的吸附和分解反应机理

氨气催化分解制氢技术是指在固体催化剂的作用下将氨气转化为清洁燃料氢气。这项技术不仅可以消除氨气的大气污染，而且提供了一种解决质子交换膜燃料电池电极中毒的有效途径。目前研究发现贵金属Ru和Ir对氨气脱氢分解反应具有最高的催化活性，但是由于贵金属成本高、资源稀缺，难以大规模开发利用。碳化钨（WC）具有和Pt相似的d带电子密度态，作为一种潜在的能够替代贵金属氨分解催化材料而被广泛研究。目前文献报道了氨气在WC表面吸附分解的实验研究, 然而氨气在WC表面上吸附的电子结构本质和催化分解机理尚不清楚。

江西理工大学周阳副教授课题组采用密度泛函理论（DFT）并结合周期平板模型的方法，分别研究了NH3在以W为终止的碳化钨表面（W-WC）和以C为终止的碳化钨表面（C-WC）的吸附和分解反应机理。相关论文以题为First-principles insights intoammonia decomposition on WC (0001) surface terminated by W and C发表在Applied Surface Science。

理论计算研究结果表明：（1）以W为终止的WC（0001）面为最稳定的表面；（2）各组分在脱氢过程中的吸附能呈现如下趋势：NH3 < NH2 < NH < N。其中各组分在C-WC表面通过氮原子的孤对电子优先吸附在顶位top位，而在W-WC表面的吸附以top和hcp为主；（3）过渡态结果表明复合反应脱附为整个反应的限速步骤，以C为终止的碳化钨表面更适合作为氨气催化分解反应的催化剂；（4）电子结构计算结果表明，NH3分子及其片段通过其N 原子的2pz轨道与底物W的5dz2轨道混合吸附于表面。随着脱氢反应的进行，电荷转移现象变得逐渐明显，吸附质和底物之间的电荷转移在加速氨气脱氢催化过程中发挥重要作用。

图 1（a）C-WC和（b）W-WC的俯视图和吸附位点

图 2 WC（0001）的表面能()与化学势之间的关系图

图 3 （a）N-N复合反应和（b）H-H复合反应的能量图