理論計算探討下列反應機構: 1.大氣中含氮自由基的反應 2.Rh/CeO2(111)表面之乙醇脫氫反應

Theoretical Studies of Reaction Mechanisms of 1. Nitrogen-containing Radicals 2. Dehydrogenation of Ethanol on a Rh/CeO2(111) Surface

陳輝龍(Hui-Lung Chen)

指導教授 ： 何嘉仁

國立臺灣師範大學/理學院/化學系/博士(2006年)

摘要

本論文分為兩大主題:
一. 探討大氣中含氮的自由基。從石化燃料燃燒產生的氮氧化物由於它們具有毒性，是大氣污染物，所以引起大眾的關注。我們本篇研究的目的是去尋找一個反應物，可使NO轉變成無污染之氣體–N2，並且有著很低的反應能障。我們藉由理論計算的方法來探討含氮自由基的可能反應機制。共分為兩個單元進行討論:
第一部分: 探討NO與imine，silanimine以及其取代基的反應機制。關於HN=XH2 (X=C, Si) 和NO的反應機制係利用QCISD(T) /6-311++G**//B3LYP/6-311++G**的計算方法來探討。結果顯示HN=CH2 + NO之最可行的反應路徑是生成CH2N2 + OH之產物，且其反應能障為44.41 kcal/mol ;然而反應HN=SiH2 + NO之最可行的反應路徑卻變成以產生H2SiOH + N2為主，此過程可直接將NO轉變為穩定且無毒害的氮氣(N2)分子，且該反應的rate-determining step能障是18.90 kcal/mol。但若我們改用取代基N-methyl substituted silanimine (CH3N=SiH2)來進行反應，其能障將會由18.90降為14.42 kcal/mol。在許多會產生NO的燃燒反應系統，如果我們找到一個適當的反應物，能輕易轉換有毒的NO變成對大自然無害的物質N2，此結果將是相當有利的。而關於imine以及silanimine與NO反應時，所得到各種不同的結果，也將於此部分提供可能的解釋。
第二部分: 量子計算方法探討H2CN、H2SiN 和NO的反應機制。
關於H2XN (X=C, Si) 和NO的反應機制，係利用CCSD(T) /aug-cc-PVTZ//B3LYP/6-31++G**的計算層級來做探討。而結果發現反應H2CN + NO有兩個最可行的反應路徑，並且分別生成HCN +HNO (P1)以及H2CO + N2 (P3);而兩者能障也相當接近，分別為11.1和10.2 kcal/mol (係以反應初始物做基準)。倘若我們把反應物換成H2SiN + NO，則前述兩者的反應能障差異將變得相當大，且發現反應將變成更有利於形成H2SiO + N2 (P3s)，倘若以反應初始物做為基準，該過程是完全沒有能障的。所以若在無能量的提供下，直接的還原NO並轉變成穩定且無毒害的氮氣(N2)分子將變成可能。由結果推論，在許多會產生NO的燃燒反應系統，H2SiN可能是一個有效的反應試劑去消除NO氣體。在此部分文章，關於H2CN以及H2SiN之反應的不同結果以及差異性的呈現，我們將提供可能的解釋。此外，我們也呈現反應之位能圖並作為比較。

二. Rh/CeO2(111)表面之乙醇脫氫反應。氫氣(H2)，在目前來說是相當令人渴望的燃料，因為若把氫氣應用在內燃機引擎中，其燃燒產生的物質是完全沒有污染性的;此外，氫氣也可應用在H2/O2燃料電池的高效率發電方面，相當有價值。因此，對於乙醇在Rh/CeO2(111)表面之可能的分解反應機構，我們利用週期性的電子密度泛函數理論的計算方法來做討論。結果發現，乙醇若以該分子之氧端吸附在Rh/CeO2(111)表面之Ce上，比起其他之表面原子而言(例如:Rh與O原子)，將有著較高之吸附能。是故乙醇首先將會以該氧端吸附在Rh/CeO2(111)表面之Ce上，而形成CH3CH2O(H)–Ce(a)，再藉由接續的脫氫反應(斷O–H以及H2C–H)，計算所得能障分別為12.00以及28.57 kcal/mol，之後形成一穩定六員環之中間物Rh–CH2CH2–Ce(a) (oxametallacycle)。此外，分別計算所脫附之氫原子在表面之不同原子上(Ce, Rh和O)，發現氫吸附在氧上有著最高的吸附能(Eads=101.59 kcal/mol)。再者，該中間物會先在α-碳上連斷兩個C–H鍵而形成吸附中間物Rh–CH2CO–Ce(a)，計算所得能障分別為34.26和40.84 kcal/mol。最後Rh–CH2CO–Ce(a)將藉由斷去C–C鍵結(TSC-C ; Ea = 49.54 kcal/mol)而形成Rh–CH2(a) + 4H(a) + CO(g)之產物，最後這些產物在高溫下再脫附而形成CH4(g) + H2(g) + CO(g)。

關鍵字

DFT

參考文獻

(2) Lyon, R. K. Int. J. Chem. Kinet. 1976, 8, 315.

(3) Lyon, R. K.; Longwell, J. P. In Proceedings of the 4th International Clean Air Congress; Kasuga, S. et al., Eds.; Industrial Pollution Control Association of Japan: Tokyo, 1977; p.691.

(7) Lyon, R. K. Tenner, A. Paper 78-81. Presented at the 71st Meeting of the Air Pollution Control Association, June 1978.

(8) Dean, A. M. ; Hardy, J. D.; Lyon, R. K. Presented at the 15th International Symposium on Free Radicals, Nova Scotia, Canada, June 1981.

(13) Lyon, R. K. Environ. Sci. Technol., 1987, 21, 231-236.