Temperature-dependent surface free energy and the Wulff shape of iron and iron carbide nanoparticles: A molecular dynamics study
Temperature-dependent surface free energy and the Wulff shape of iron and iron carbide nanoparticles: A molecular dynamics study
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铁和碳化铁纳米颗粒的温度依赖性表面自由能和武尔夫形状：分子动力学研究
DOI：
10.1016/j.apsusc.2019.144859
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发表时间：
2020-04
影响因子：
6.7
通讯作者：
Xiaodong Wen
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Mengjiao Xing;Amar-Deep Pathak;Suchismita Sanyal;Qing Peng;Xingchen Liu;Xiaodong Wen
形态变化对于催化剂纳米粒子在多相催化中的催化性能至关重要。铁和碳化铁纳米颗粒用作高温多相催化剂，例如费托合成和碳纳米管生长。在这里，我们利用分子动力学研究了温度和熵对铁和碳化铁（θ-Fe3C、χ-Fe5C2 和 o-Fe7C3）纳米粒子的表面自由能和形态的影响。由于熵效应，随着温度升高，所有本体和大多数表面系统的自由能遵循抛物线曲线下降。纳米颗粒在低温下被低折射率表面覆盖。在低温下，所有表面的表面自由能通常随着温度的升高以相似的斜率降低。然而，存在一个临界温度，在该温度下高指数表面开始主导催化剂颗粒。 Fe7C3 在所有表面中均在 400 K 时表现出异常的最小表面自由能。这项研究为调节铁基纳米催化剂的形貌和所需的催化性能提供了基础见解。
The morphology change is crucial to the catalysis performance of catalyst nanoparticles in heterogeneous catalysis. Iron and iron carbide nanoparticles are used as high temperature heterogeneous catalyst, such as Fischer-Tropsch synthesis and carbon nanotube growth. Here we have investigated the effect of temperature and entropy on the surface free energy and morphology of the iron and iron carbide (θ-Fe3C, χ-Fe5C2, and o-Fe7C3) nanoparticles using molecular dynamics. The free energies of all the bulk and most of the surface systems drop following a parabolic curve with elevating temperature due to entropic effect. The nanoparticles are covered by low index surfaces at low temperature. At low temperature, the surface free energies of all surfaces usually decrease with a similar slope with increasing temperature. However, a critical temperature exists at which the high-index surfaces starts to dominate the catalyst particles. Fe7C3shows an unusual minimum surface free energy at 400 K in all the surfaces. This study provides fundamental insights into the modulation of iron-based nanocatalysts morphologies with desired catalytic performance.
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