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氨合成催化过程的量子化过程 XXX XXX XXX 摘要：氨合成催化过程为催化剂对氢气及氮气的吸附，氢气及氮气在催化剂表面结构发生改变，并在分子碰撞过程中发生反应生成氨气，生成的氨气从催化剂表面解吸后从反应体系中移出，从而促使反应不断向生成氨气的方向进行。本文通过MS Modeling软件计算比较不同催化剂对N2、H2和NH3的吸附作用及对其结构的影响，从量子化学方向简要阐述催化过程机理。 关键词：氨合成 催化 结构 量子化学 机理 前言 合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分，在国民经济中占有相当重要的位置。氨是化学工业的重要原料之一，具有十分广泛的用途。 氨是氮素肥料工业的主要原料，用氨作原料可生产多种氮肥，如尿素、硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵等。合成氨对农业的生产具有重大意义。 氨也是工业的重要原料。基本化学工业中的硝酸、纯碱及各种含氮的无机盐以及制冷工业中冷却剂，有机工业中各种中间体，制药工业中磺胺药物，高分子工业中聚纤维、氨基塑料、丁腈橡胶、冷却剂等，都需要以氨、氨的化合物及衍生物为原料或工作介质。 国防工业中也需要氨，如三硝基甲苯、硝化甘油、硝化纤维的各种硝基炸药；尖端技术如导弹、火箭的推进剂和氧化剂等都离不开氨。 早在1784年，就有学者证明氨是由氮和氢组成的。在19世纪，人们试图从氮和氢直接合成氨，利用高温、高压、电弧、催化剂等手段进行试验，但均未获得成功。直到19世纪末，在化学热力学、动力学和催化剂等领域取得一定进展后，才使对合成氨反应的研究有了新的进展。1901年，法国物理化学家吕·查得利开创性地提出氨合成的条件是高温、高压，并有适当催化剂存在。 1909年，德国人哈伯以锇为催化剂在17~20MPa和500~600℃温度下进行了合成氨研究，得到6%的氨。1910年他首先提出了循环流程并在德国成功地建立了每小时能生产80克氨的试验装置。循环流程的确定是合成氨向工业化发展的一个飞跃，在以后的研究中人们致力于解决三个问题：一是设计能生产廉价原料氢氮气的方法；二是寻求稳定有效的催化剂；三是开发切实可行的高压设备。 在催化剂研究方面，1911年米塔西研究成功以铁为活性组分的合成催化剂，铁基催化剂活性好、比锇催化剂价廉、易得。 1912年在德国建立了世界上第一个日产30吨的合成氨厂。在以后的生产过程中，人们对合成氨的生产工艺进行了不断改进和完善，如变换工艺的改进、原料气净化方法的革新及合成塔塔件的改造等，但整个合成氨工艺路线没有大的变化。[1] 建模与计算方法 氨气合成反应如下： 0.5N2 + 1.5H2 == NH3 反应涉及到氮气、氢气及氨气的吸附，氮气、氢气吸附时键长、键能、键级及作用区域内原子所带电荷的变化。具体建模内容如下： 氮气、氢气及氨气晶胞 氢气 氮气 氨气 待计算金属原子晶胞 Fe Pt Ni 将优化后的氮气、氢气及氨气转移至金属晶胞 Fe吸附氢气 Fe吸附氮气 Fe吸附氨气 Pt吸附氢 Pt吸附氮气 Pt吸附氨气 Ni吸附氢气 Ni吸附氮气 Ni吸附氨气 以上晶胞建立后先进行优化，方法为CASTEP中的CALCULATION中的Geometry Optimization, properties选项中勾选 population analysis。优化后得到的晶胞结构为最稳定、能量最低状态，对其Energy进行计算，求得各晶胞稳定状态的能量，原子电荷分布，键长及键能状态等信息。通过所得信息分析催化反应机理。 结果与讨论 吸附能结果如下： 能量 金属 E （eV） △Echem（eV） H2 -30.24130177632 - N2 -536.8209855578 - NH3 -311.2462837452 - Fe （1 1 1） -1712.218391529 - 吸附氢 -1745.622544355 -3.16285104968 吸附氮 -2257.015417929 -7.9760408422 吸附氨 -2030.02