The role of dynamics in heterogeneous catalysis: Surface diffusivity and N 2 decomposition on Fe(111)

催化作用 热扩散率 曲面(拓扑) 动力学(音乐) 化学物理 分解 热力学 化学 物理化学 材料科学 化学工程 物理 数学 几何学 有机化学 工程类 声学
作者
Luigi Bonati,Daniela Polino,Cristina Pizzolitto,Pierdomenico Biasi,René Eckert,Stephan J. Reitmeier,Robert Schlögl,Michele Parrinello
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (50): e2313023120-e2313023120 被引量:72
标识
DOI:10.1073/pnas.2313023120
摘要

Dynamics has long been recognized to play an important role in heterogeneous catalytic processes. However, until recently, it has been impossible to study their dynamical behavior at industry-relevant temperatures. Using a combination of machine learning potentials and advanced simulation techniques, we investigate the cleavage of the N[Formula: see text] triple bond on the Fe(111) surface. We find that at low temperatures our results agree with the well-established picture. However, if we increase the temperature to reach operando conditions, the surface undergoes a global dynamical change and the step structure of the Fe(111) surface is destabilized. The catalytic sites, traditionally associated with this surface, appear and disappear continuously. Our simulations illuminate the danger of extrapolating low-temperature results to operando conditions and indicate that the catalytic activity can only be inferred from calculations that take dynamics fully into account. More than that, they show that it is the transition to this highly fluctuating interfacial environment that drives the catalytic process.
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