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费托合成是指利用CO和H2在催化剂催化下反应生成相应碳氢液体化合物的反应过程。由于该反应得到的主产物是长链的烷烃或者烯烃,因此可以用作生产清洁燃料和化工产品的一类重要手段。但是费托合成反应过程的复杂性及多样性特征,导致目前对于此类反应的反应机理一直存在争议,因此如何探究此类反应的反应原理尤为重要。目前普遍认可的费托合成反应链增长基元过程主要通过CHx(a)单体实现,但是CHx(a)通常在催化剂表面存在时间短,因此难以被有效检测。基于此,本博士学位论文意在探究在超高真空的系统条件下以Co(0001)作为模型催化剂,利用CH31和CH2I2在Co(0001)表面生成CHx(a)中间体,系统地研究CHx(a)的反应性能,探究了催化剂表面共吸附物种对CHx(a)反应性能的影响;进一步以钴多晶作为模型催化剂,对比研究了 CO和H2小分子在钴多晶的不同晶面上的吸附和反应过程。取得如下主要研究结果:1)通过CH3I在Co(0001)表面解离制备CHx(a)物种,利用程序升温脱附谱和X射线光电子能谱研究了 CHx(a)物种在干净的,H(a)和CO(a)预吸附的Co(0001)表面的反应性能。CH3I和CHx(a)物种在Co(0001)表面表现出表面空位依赖的反应性能,CH3(a)和CH(a)物种是CH3I在100 K解离生成的主要CHx(a)物种。在升温过程中,CH3(a)物种发生加氢反应生成CH4,自偶联反应生成C2H6,分解反应生成CH(a)物种;CH(a)物种发生加氢反应生成CH4,脱氢环化生成石墨碳,分解反应生成原子碳。各种CHx(a)物种加氢甲烷化反应性能遵循CH3(a)>CH2(a)>CH(a)。Co(0001)上共吸附的H(a)物种不影响CH3I在100K时解离吸附行为,有效提高了 CH3(a)和CH(a)物种加氢甲烷化反应几率,降低解离反应几率。Co(0001)表面上共吸附的CO(a)物种可稳定表面的CH2(a)物种,该物种发生加氢反应生成CH4和插入至CH3(a)反应生成CH3CH2(a)物种,然后CH3CH2(a)物种分别进行H消除和加氢反应生成C2H4和C2H6。2)通过CH2I2在Co(0001)表面解离制备CH2(a)物种,利用程序升温脱附谱和X射线光电子能谱研究CH2(a)物种在干净,H(a)和CO(a)预吸附的Co(0001)表面上的反应性能。CH2I2和CH2(a)物种在Co(0001)表面表现出表面空位依赖的反应性能。在110K,低暴露量CH2I2在干净Co(0001)表面逐步分解生成CH2(a),CH(a)和C(a)物种;随CH2I2暴露量增加,CH2I2在表面分子吸附。在升温过程中,CH2(a)物种发生加氢反应生成CH4,偶联反应生成C3H6和C2H4,分解反应生成CH(a)物种;CH(a)物种发生加氢反应生成CH4,脱氢环化生成发生生成石墨碳,分解反应生成原子碳。吸附的H原子和CO分子影响CHx(a)物种的表面反应性能,主要是抑制分解反应和促进碳-碳键偶联反应。3)通过乙烯分解和原子碳向石墨化碳转化等反应在Co(0001)表面制备了覆盖度可控的原子碳和石墨化碳物种,研究了其对CHx(a)物种反应性能的影响。在相同的碳覆盖度表面,CHx(a)物种在原子碳和石墨化碳共存的Co(0001)表面上表现出比仅存在原子碳和仅存在石墨化碳的Co(0001)表面上更高的偶联反应几率。其原因是原子碳在表面既有位阻作用又存在电子效应的作用,能够稳定碳链增长反应活性物种CH2(a),有利于碳链的增长过程;同时石墨化碳选择占据了表面CH4的生成位点,降低CH4生成几率和增加偶联反应几率。4)通过光发射电子显微镜/低能电子显微镜、俄歇电子能谱、X射线光电能谱和程序升温脱附谱联用的方法探究CO和H2在具有Co(10-12)和Co(0001)微晶的Co多晶表面吸附和反应过程,对比了不同微晶面的吸附活化性能。小分子在钴多晶表面的吸附反应行为与其暴露压强相关,不同暴露压强的情况下表面会生成不同表面物种。H2暴露能够诱导Co多晶体相氧的析出并钝化表面。相同条件下,小分子在Co(10-12)和Co(0001)微晶面上吸附反应行为也不相同,总体来说在Co(10-12)微晶面上的吸附和反应性能强于在Co(0001)微晶面上。上述结果建立了 CHx(a)物种在Co(0001)上的表面基元反应网络及共吸附物种的影响,并初步展示了 Co催化剂的晶面效应,加深了对复杂费托合成反应机理的理解。