Simulation de réactions chimiques en catalyse hétérogène : l'hydrogène sur la surface (111) du palladium

Simulation of chemical reactions in heterogeneous catalysis : Hydrogen on Pd(111) surface

• Auteur / Autrice : Yuemei Sun
• Direction : Wei Dong, Xiaohong Yan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 11/07/2014
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure en cotutelle avec Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 1995-....)
• Jury : Président / Présidente : Heriberto Fabio Busnengo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Wei Dong, Xiaohong Yan, Heriberto Fabio Busnengo, Ricardo Diez Muino, Guowei Yang
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ricardo Diez Muino, Guowei Yang

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie de la fonctionnelle de densité

Palladium

Hydrogène

Mots clés libres

Hydrogène

Palladium

Effet de recouvrement

Diffusion en surface

Théorie de la fonctionnelle de la densité

Dynamique moléculaire accélérée

Hydrogen

Palladium

Coverage effect

Surface diffusion

Density functional theory

Accelerated molecular dynamics method

Résumé

Dans ce travail, nous avons étudié l’adsorption dissociative de l’hydrogène sur Pd(111) ainsi que la diffusion d’un atome de l’hydrogène sur ce même surface. A l’aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité, nous avons mené une étude systématique de l’effet du recouvrement en surface sur l’énergétique de la dissociation de H2 sur une surface de Pd(111) couverte par des atomes de l’hydrogène. Un résultat surprenant que nous avons trouvé est que les atomes adsorbés ont non seulement un effet de poison mais peuvent aussi promouvoir la dissociation de H2 s’ils sont adsorbés sur des sites loin de la molécule d’hydrogène qui dissocie. En ce qui concerne la diffusion d’un atome d’ hydrogène sur Pd(111), nous avons déterminé le coefficient de diffusion par des simulations de dynamique moléculaire en utilisant la formule d’Einstein à différente température de la surface, Ts=500K, 300K and 250K. Une méthode de la dynamique moléculaire accélérée a été développée afin d’étudier la diffusion à bases températures. Dans notre approche, l’accélération se fait moyennant l’augmentation de l’énergie cinétique de l’atome qui diffuse suivant une distribution Maxwell-Boltzmann qui correspond à une température plus élevée et la correction de l’échelle de temps d’une façon consistante. Pour tester la validité de notre approche, nous avons effectué des simulations pour la diffusion d’un atome d’hydrogène sur Pd(111) à Ts=300K and Ts=100K. Les résultats obtenus par la méthode accélérée est en bon accord avec ceux de la simulation standard. Par la méthode accélérée, l’échelle de temps peut être étendu à l’ordre de micro-secondes.

In this thesis, we studied dissociative adsorption of hydrogen on Pd(111) with particular attention paid to the surface coverage effect and the diffusion of a hydrogen adatom on Pd(111). With the help of DFT calculations, we carried out a systematic investigation of the effect of H-adatoms on the dissociation energetics of H2 on H-covered Pd(111) surfaces at various coverages. A quite surprising finding is that the H-adatoms do not only have a poisoning effect but can also promote H2 dissociation when they are adsorbed on sites which are sufficiently far from the dissociating H2 molecule. The macroscopic diffusion coefficient of an H-adatom on Pd(111) is determined from molecular dynamics simulations with the help of Einstein formula for different surface temperatures, i.e., Ts=500K, 300K and 250K. An accelerated molecular dynamics method was developed in order to study the diffusion at low surface temperatures. In our approach, the acceleration is achieved by increasing the kinetic energy of the diffusing atom according to the Maxwell-Boltzmann distribution at a higher temperature and correcting the time scale in a consistent way. For testing the validity of our method, we performed simulations for the diffusion of H adatom on Pd(111) surface at T=300K and T=100K. The diffusion coefficient obtained from the accelerated MD method is in agreement with that obtained from the direct MD and TST methods. And the physical time scale can be extended to the order of microseconds.