第二届中国化学链会议

准确的载氧体还原动力学在化学链设计中起着关键作用。传统的研究方法中，NiO 与CO的气固表面反应通常使用密度泛函理论 (DFT)建模计算。其中， NiO 晶体被简化为平板(slab)，CO吸附然后CO₂脱附，通过过渡态搜索获得反应路径。但是，这种平板模型无法描述NiO-Ni的结构转变，并且从DFT计算获得的能量变化与热力学数据有着极大的偏差。针对这一问题，本研究提出了一种新的 DFT 计算方法，将表面反应与 NiO 的结构转变耦合，并使用基于第一性原理的多尺度模型来计算得到了NiO与 CO 的还原动力学。研究建立了包含体相(bulk)变化的反应路径，使用过渡态搜索算法得到反应路径和固体结构转换过程，并将DFT输出的能量数据与热力学数据仔细比较，验证热力学上的一致性。 之后，本研究用过渡态理论 (TST)来计算CO还原NiO的反应动力学速率常数，随后使用了平均场微观动力学晶粒模型，得到了耦合表面反应和 CO 气体在NiO晶粒中扩散的宏观动力学模型。该模型的所有参数都来自于密度泛函理论的计算，不需要拟合实验数据。动力学模型在不同的温度、CO 浓度和NiO颗粒粒径等物理量下得到了实验数据的验证。本研究还分析了NiO载氧体颗粒的内扩散对总反应速率的影响，并讨论了速率控制步骤。本研究提出的基于第一性原理的反应动力学计算方法将表面反应与固体结构转变相耦合，为各领域的多相反应动力学给出了理论框架。

固体结构变化,气固反应,金属氧化物还原,微观动力学,速率方程理论