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1、S半妹虹*爭毕业设计（论文）题 目S02在TiC表面的吸附行为研究院系机械工程系专业班级机械制造专业0801班学生姓名指导教师二O二年六月SO2在Tic表面的吸附行为研究摘要本文基于第一性原理的方法，利用CASTEP模块模拟分析了 SO?在TiC不同 表面的吸附行为。根据TiC的结构特征，分别构建了三种主要的TiC表面(001)、 (011)及(111)面，并以此为基础，分析SO2在不同表面的三种吸附方式，即 SO2中S与TiC中Ti的吸附，单个O与Ti的吸附及0+0与Ti同时吸附。研究 结果表明，TiC各表面对SO?具有较强的吸附能力，其吸附能都为负值，电荷密 度计算表明其吸附方式为化学吸附
2、。对不同表面而言，SO?在TiC (001)面的吸 附更趋向于Ti(001)+ O吸附，其吸附能为-5.883eV,吸附后Ti-0键键长为2.206 A；在TiC (011)面的吸附更趋向于Ti (Oil) +20吸附，其吸附能为-7.471 eV, Ti-0键键长分别为2.132 A和2.085 A；而在TiC (111)面的吸附更趋向于Ti(lll) +0吸附，其吸附能为-4.419eV, Ti-0键键长为1.944入。综合比较表明，上述三种 情况中Ti (Oil) +20这种吸附方式，吸附能更小，因此，SO?在TiC表面的吸 附更加趋近于该种吸附。关键词：过渡金属碳化物，催化脫氢，吸附，
3、建模。STUnV OF THF ADSORPTTON OFSO2 ON SURFACE OF TiCAbstractIn this dissertation, we using CASTEP module and in first principles method for the foundation to study the adsorption behavior of SO2 on different surfaces of the TiC. According to the structural characteristics of the TiC, three main TiC su
4、rface (001), (Oil) and (111) were constructed and as the basis for analysis the adsorption of SO2 and three possible adsorption manners, which are the adsorption of S on Ti sites, the adsorption of O on Ti sites and the simultaneous adsorption of O and O on Ti sites, are all calculated. Surfaces of
5、TiC have high adsorption capacity of SO2, the adsorp -tion energy is negative, and the charge density calculations show that it is chemical adsorption. On different surfaces, the adsorption of SO2 on TiC(OOl) surface tends to Ti(001)+O adsorption, its adsorption energy is -5.883eV , the key long of
6、Ti-0 key after absorption is 2.206 A;the adsorption on TiC(Oll) surface tends to Ti(011) +20 adsorption, its adsorption energy is 7.471 , the key long of Ti-0 keys after absorpoo-tion are 2.132 A and 2.085 A;and the adsorption on TiC(l 11) surface tends to Ti(ll 1)+0 adsorption its adsorption energy
7、 is -4.419eV , the key long of Ti-0 key after absorption is 1.944 A. Comprehensive comparison showed that the adsorption of SO2 on TiC surfaces tends to the TiC(011)+2O adsorption.Keywords： Transition metal carbides, catalytic dehydrogenation, adsorption, modeling.目录摘要IAbstractII目录1第一章绪论11.1选题的背景及研究
8、目的11.2研究意义11.3研究的概况2第二章 研究内容及方法42.1研究的技术路线42.2研究的具体内容42.3计算机模拟42.3.1 关于 Materials studio42.3.2诞生背景42.3.3软件概况5第三章S02在TiC不同表面的吸附研究63.1模型的构建过程63.1.1 S02分子建模过程63.1.2 TiC建模过程及计算83.2 S02在TiC (001)表面的吸附行为试验结果133.2.1 S02在TiC (001)表面的吸附模型图直观分析143.2.2 S02在TiC (001)表面的吸附行为实验数据分析153.2.3 S02在TiC (001)表面的吸附行为研究小结
9、183.3 S02在TiC (011)表面的吸附行为试验结果183.3.1 SO2在TiC (011)表面的吸附模型图直观分析193.3.2 SO2在TiC (011)表面的吸附行为实验数据分析193.3.3 SO2在TiC (Oil)表面的吸附行为研究小结203.4 SO2在TiC (111)表面的吸附行为试验结果213.4.1 SO2在TiC (111)表面的吸附模型图直观分析213.4.2 SO2在TiC (111)表面的吸附行为实验数据分析223.4.3 SO2在TiC (111)表面的吸附行为研究小结23第四章结论24致谢26第一章绪论1.1选题的背景及研究目的随着工业化和城市化的快
10、速发展，大气污染，尤其是城市大气污染日益严重，并已成 为全球性的社会公害，使人类的生存环境和社会的可持续发展面临着严重的挑战。目前， 人类每年排放到大气中二氧化硫约为2.5亿吨，二氧化硫的大量排放使城市空气污染不断 加重，对环境和人类健康造成了极大的危害，严重污染着人类赖以生存的大气环境。由S02 排放造成的大气污染是各大城市的一个重要污染源，如何减少S02污染已成为社会各界关 注的焦点，也是摆在广大科技工作者面前的一项重大课题。二氧化硫是最常见的硫氧化物，无色气体，有强烈刺激性气味，是大气主要污染物之 一。火山爆发时会喷出该气体，在许多工业过程中也会产生二氧化硫。由于煤和石油通常 都含有硫化
11、合物，因此燃烧时会生成二氧化硫。当二氧化硫溶于水中，会形成亚硫酸（酸 雨的主要成分）。减少S02的排放或的破坏标准燃料燃烧过程中形成的二氧化硫是控制S02 污染的研究重点。因而寻求一种能高效率催化S02分解的催化物就显得十分必要。目前在许多脫硫反应中使用过渡金属碳化物。过渡金属碳化物是一类具有很高的机械 强度及硬度，适宜做刀具及钻具的材料。这类材料是一种金属间填充型化合物，是由碳原 子填隙式融进过渡金属的晶格中形成的。它们倾向于形成可在一定范围内变动组成的非计 量间隙化合物。近年来，由于其独特的物理、化学及结构性能已经广泛的应用于光学、电 子学及磁学等领域。尤其是过渡金属碳化物材料的高催化活性
12、和选择性已经引起了人们的 广泛关注，它将成为一类新的催化剂广泛应用于石油化工、汽车尾气处理、炼油厂中的加 氢脫硫过程反应中等领域。碳化钛（TiC）是过渡金属碳化物中的一种，能参与二氧化硫的分解反应，其催化性 能加速二氧化硫的分解，TiC的目的便是研究其对二氧化硫分解的催化性，而此次研究的 目的只是研究二氧化硫在TiC表面的吸附。微观世界的反应要发生首先就要进行吸附，吸 附的效率往往是和反应的效率成正比的，对二氧化硫在TiC表面的吸附的研究可以得到其 吸附规律，进而找出提高吸附效率的方法，进而找到能加速化硫分解的方法。1.2研究意义减少二氧化硫的排放是改善环境的一项重要举措，也是环保和可持续发展
13、的需要。我 们的研究对象是作为过渡金属代表的碳化钛，研究要做的就是发掘其优良的催化性能，进 而用于分解S02的试验中。试验证明催化反应的最初阶段是对反应物的吸附，因此我们研 究碳化钛催化分解S02我们首先就很有必要研究其对so2的吸附作用。又由于其催在很多 表面，不同面的吸附作用是不同的，所以我们就要分开研究不同表面对S02的吸附反应。 从而找出最适合吸附的表面，在化学反应中加以控制，就可以在脫硫反应中起到催化作用， 着对于S02治理是很有用的研究。我们做的就是发掘碳化钛的催化性，这对环境的治理是 很有好处的。1.3研究的概况对碳化的钛催化性及其化学性的研究是要通过大量的化学试验才能得出的结论
14、，我们 所做的是对其化学反应的前期吸附模拟，即S02在TiC表面的吸附行为研究。由于化学反 应的实质是原子或离子间的相互作用导致分子或者离子的机构改变，而反应的前提是他们 之间能有一个很好的接触使得原子或离子间能产生相互作用力，发生化学吸附的粒子间的 距离很小，能更好的发生化学反应。化学吸附指的是吸附质分子与固体表面原子（或分子）发生电子的转移、交换或共有， 形成吸附化学键的吸附。由于固体表面存在不均匀力场，表面上的原子往往还有剩余的成 键能力，当气体分子碰撞到固体表面上时便与表面原子间发生电子的交换、转移或共有， 形成吸附化学键的吸附作用。与物理吸附相比，化学吸附主要有以下特点：吸附所涉及
15、的力与化学键力相当，比范德华力强得多。吸附热近似等于反应热。吸附是单分子层 的。因此可用朗缪尔等温式描述，有时也可用弗罗因德利希公式描述。捷姆金吸附等温式 只适用于化学吸附：V/V,tl/a lnCoP（1）式中y是平衡压力为p时的吸附体积；是单层饱和吸附体积；a和c。是常数。 有选择性。对温度和压力具有不可逆性。另外，化学吸附还常常需要活化能。确定一种 吸附是否是化学吸附，主要根据吸附热和不可逆性。化学吸附的方式也是多种多样，结构形态也不尽相同。我们做的是先通过计算机软件 构建碳化钛（Tie）的晶体模型，然后进行切面优化等操作，再构建二氧化硫（S02）分子 的模型，优化后放到我们所要研究的不
16、同的Tic表面进行分析计算，得出不同表面反应的 化学反应能量变化，比较得出S02吸附最稳定的表面及S02吸附时的形态。下面是针对此 次研究的内容，搜集整理一些与本次研究相关的研究资料，这也是研究前期必备的准备工 作。1.3.1目前关于S02脱硫方法的研究概况S02排放造成的大气污染一直是困扰世界各国多年的一个难题，我国是燃煤打过，每 年都要排放大量的含硫烟尘，解决燃煤造成的环境污染显得非常重要和紧迫，烟气脫硫是 控制二氧化硫排放的最有效手段。自用CO将S02选择性还原成为单质硫在20世纪60年 代提出后，受到人们的普遍青睐，这种脫硫不但避免了传统脫硫工艺的二次污染问题， 而且还可以将废气中的SO2回收作为工业原料硫磺
