我院谢代前教授课题组在金属表面催化反应的模式选择性研究中取得重要进展。该小组对H₂O分子在Cu（111）面的解离吸附过程进行了量子动力学研究，揭示了显著的振动增强效应，为利用振动激发调控该反应过程提供了有力的理论依据。相关研究论文“Enhancing Dissociative Chemisorption of H₂O on Cu(111) via Vibrational Excitation”近日发表于《美国国家科学院院刊》[Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 109,10224 (2012)]。

 

    由于化石燃料的逐年减少以及这些燃料对环境的污染越来越严重，发展环保清洁而高效的新能源变得越来越重要，其中一个重要的例子就是利用水煤气变换和蒸汽重整化反应的燃料电池。在这些重要的多相催化过程中，H₂O在金属表面的解离吸附非常重要，且通常是速度控制步骤。为了调控反应过程，寻找最有利的振动模式，必须对相关基元反应的动力学机制有深入的理解。动力学实验对同样具有重要作用的CH₄和H₂分子的解离吸附已经有较多的研究，例如发现了CH₄的对称伸缩振动激发能有效的增强反应，而弯曲振动的激发则不如同样的平动能来得有效，这类显著的模式选择性已经引起人们的广泛关注。然而，对于H₂O解离的动力学实验和理论研究都还未有报道。一方面，由于H₂O的强偶极性导致容易在表面形成多聚体，实验上的情况就变得异常复杂；另一方面，由于H₂O很大的零点振动能和较高的反应能垒，反应中的隧道效应会很强，本质上需用量子动力学的研究。因此，理论上的研究则受限于高维度的势能面和相应的高维量子动力学研究。