Methan-Disssoziation an gestuften Ni-Oberflächen unter Berücksichtigung des Impakts, der Kollisionsenergie, des vibrationalen Zustands und der Gitterverzerrung

Wir untersuchen die Dynamik und Kinetik der Methan-Dissoziation an den Stufen von Ni(211) und den Terrassen von Ni(111) als Modelle für Stufen- und Terrassenstandorte, jeweils auf einem echten Ni-Katalysator. Ein quantenmechanischer Ansatz wird verwendet, um zustandsaufgelöste Anhaftungswahrscheinlichkeiten, S0, zu berechnen, und die thermisch gemittelte Anhaftung wird sowohl aus S0 als auch aus Standard-Übergangszustandsmethoden berechnet. Während die Barrieren an den Stufenrändern viel niedriger sein können, können die Terrassenatome wichtige Beiträge zur Gesamtreaktivität leisten, wenn die Stufendichte nicht zu hoch ist und/oder bei höheren Temperaturen. Bei 500 K stellen wir fest, dass bei der Reaktion an der Stufenkante die Anhaftung von Molekülen dominiert wird, die entweder ein oder zwei Quanten der Biegevibration angeregt haben, mit translatorischen Energien von etwa 0,10-0,35 eV oder 0-0,2 eV. Diese Energien liegen weit unter den Aktivierungsenergien des starren Gitters, und die Reaktion erfordert sowohl eine signifikante Umwandlung von Vibrationsenergie in Bewegung entlang des Reaktionspfades als auch ein Welligkeit des Gitteratoms, über dem das Molekül dissoziiert. Wir zeigen, dass die durchschnittliche Welligkeit, die die Barriere zur Reaktion senkt, bei 500 K etwa 0,28 Å beträgt. Reaktionen werden von Kollisionen an den Impaktstandorten innerhalb weniger Zehntel Å des minimalen Barrierepfades an der Stufenkante dominiert. Unsere berechneten Anhaftungswahrscheinlichkeiten für die Reaktion an der Stufenkante bei 500 K stimmen gut mit verfügbaren experimentellen Daten überein.