【摘 要】
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化石燃料燃烧排放出大量的CO2是致使全球气候变暖的主因,根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告：只有在2050年之前实现减少CO2排放量的50～80％,才能抑制全球变暖的趋势,
【机 构】
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华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉430074
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化石燃料燃烧排放出大量的CO2是致使全球气候变暖的主因,根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告：只有在2050年之前实现减少CO2排放量的50～80％,才能抑制全球变暖的趋势,并把升温幅度控制在2℃以内,因此CO2减排的任务迫在眉睫.在现有的CO2减排技术中,化学链燃烧(CLC)由于具有CO2内分离、无NOx污染和能量梯级利用等优点,被认为是最具发展前景的CO2减排技术.目前,CLC研究的热点是高反应活性和高循环反应稳定性氧载体的开发与设计.实验表明：尖晶石型双金属氧化物比相对应的单金属氧化物作为氧载体有更优秀的物理化学性能.氧载体的合理设计依赖于对反应机理的深入认识,遗憾的是,到迄今为止,人们对氧载体的吸附行为及其氧化还原反应机理了解很少.本文使用基于第一性原理的密度泛函理论和周期性平板模型深入研究了CO在尖晶石型氧载体MnFe2O4表面的吸附机理.计算采用Vanderbilt型超软赝势和GGA+PBE型交换相关泛函.考察了MnFe2O4(100)面的两种不同特征表面：Fe终端面和Mn终端面.计算结果表明：CO分子倾向于以C原子吸附在(100)面上的过渡金属原子上,尤其是O原子配位不饱和的过渡金属原子上.当CO吸附在Fe终端面上时,形成C-Fe键,为较强的化学吸附,吸附能为-178.30kJ/mol.当CO吸附在Mn终端面上时,分别在Mn、Fe原子上成键(C-Me键),都为强烈的化学吸附,吸附能分别为-185.83 kJ/mol和-197.31 kJ/mol；特别当CO放置在O顶位时,最终CO分子移动到邻近的Fe位上,形成稳定的化学吸附,吸附能为-177.53 kJ/mol.根据稳定吸附构型的电子结构分析表明：吸附的驱动力是源自CO分子和MnFe2O4(100)表面的电子向C-Me间转移,形成了稳定的C-Me键,同时弱化了C-O键,其吸附本质是氧载体表面的过渡金属有丰富的d电子和空轨道,CO分子可与之成键,并吸附在过渡金属原子上.研究结果为氧载体的开发与设计提供了理论依据.
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