基于DFT的氢基竖炉内H2和CO在Fe2O3(0001)表面反应的机理

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240199

东北大学学报（自然科学版） ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (7): 139-147.DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240199

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基于DFT的氢基竖炉内H₂和CO在Fe₂O₃(0001)表面反应的机理

唐珏¹^,²(), 储满生¹^,³, 刘西财¹^,², 刘杰⁴

^1.东北大学低碳钢铁前沿技术教育部工程研究中心，辽宁沈阳 110819
^2.东北大学冶金学院，辽宁沈阳 110819
^3.东北大学辽宁省低碳钢铁前沿技术工程研究中心，辽宁沈阳 110819
^4.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳 110819

收稿日期:2024-10-30 出版日期:2025-07-15 发布日期:2025-09-24
通讯作者: 唐珏
作者简介:储满生（1973—），男，安徽岳西人，东北大学教授，博士生导师.
基金资助:
国家自然科学基金重点基金资助项目(U23A20608);辽宁省科技计划联合项目（重点研发计划项目）(2023JH2/101800058);河北省科技计划项目(23314601L);高钛型磁铁矿（PMC矿、朝阳钒钛矿及海砂矿）氢基竖炉还原-电炉熔分技术研究与应用项目(HG2023239)

Mechanisms of H₂ and CO Reaction on the Fe₂O₃(0001) Surface in Hydrogen-Based Shaft Furnace Based on DFT

Jue TANG¹^,²(), Man-sheng CHU¹^,³, Xi-cai LIU¹^,², Jie LIU⁴

^1.Engineering Research Center of Frontier Technologies for Low-Carbon Steelmaking，Ministry of Education，Northeastern University，Shenyang 110819，China
^2.School of Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China
^3.Liaoning Low-Carbon Steelmaking Technology Engineering Research Center，Northeastern University，Shenyang 110819，China
^4.School of Resources & Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China.

Received:2024-10-30 Online:2025-07-15 Published:2025-09-24
Contact: Jue TANG

摘要/Abstract

摘要：

氢基竖炉工艺可显著减少CO₂排放，是钢铁工业绿色低碳发展的有效途径.本研究基于密度泛函理论（DFT），深入研究了氢基竖炉冶炼过程中H₂和CO与Fe₂O₃的反应机理.结果表明：H₂分子最稳定吸附构型的吸附能为-1.65 eV，CO分子为-2.10 eV，CO分子吸附占优.H₂分子反应时的能垒为0.64 eV，CO分子为1.40 eV，H₂分子与Fe₂O₃反应在动力学上占优.升高温度虽然不利于气体分子的吸附，但有利于还原反应的进行，因此升高温度可以弥补H₂分子吸附及反应在热力学上的劣势.对于富氢或纯氢竖炉，可以提高操作压力，同时适当提高还原温度以加快反应速率，但应确保吸附效率.

关键词: 氢基竖炉, 密度泛函理论(DFT), Fe₂O₃, 反应机理, 吸附能, 能垒

Abstract:

Hydrogen-based shaft furnace process can significantly reduce CO₂ emission， which is an effective way for low-carbon and green development of iron and steel industry. In this study， the reaction mechanism of H₂ and CO with Fe₂O₃ in the hydrogen-based shaft furnace reduction process was investigated in depth based on density functional theory（DFT）. The results show that the most stable adsorption configuration of H₂ molecule has an adsorption energy of -1.65 eV and the CO molecule has an adsorption energy of -2.10 eV， which is favorable for the adsorption of CO molecule. The energy barrier of H₂ molecule for the reaction is 0.64 eV， and CO molecule has an energy barrier of 1.40 eV， which is favorable for the reaction of H₂ molecule with Fe₂O₃ in the kinetic. Increasing temperature is unfavorable for the adsorption of gas molecules， but favoring the kinetics of reduction reaction. And increasing temperature can compensate for the thermodynamic disadvantage of the adsorption and reaction of H₂ molecules. The operating pressure should be increased， while the reduction temperature can be increased appropriately to accelerate the reaction rate， but the adsorption efficiency should be ensured for hydrogen-rich or pure hydrogen shaft furnace.

Key words: hydrogen-based shaft furnace, density functional theory （DFT）, Fe₂O₃, reaction mechanism, adsorption energy, energy barrier

中图分类号:

TF 51

唐珏, 储满生, 刘西财, 刘杰. 基于DFT的氢基竖炉内H₂和CO在Fe₂O₃(0001)表面反应的机理[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2025, 46(7): 139-147.

Jue TANG, Man-sheng CHU, Xi-cai LIU, Jie LIU. Mechanisms of H₂ and CO Reaction on the Fe₂O₃(0001) Surface in Hydrogen-Based Shaft Furnace Based on DFT[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2025, 46(7): 139-147.

图/表 7

图1 收敛性测试及Fe2O3和气体分子性质（a）—k点设置的能量收敛性测试；（b）—α-Fe2O3原胞和磁态；（c）—α-Fe2O3单胞和晶格常数；（d）—H2分子的态密度；（e）—CO分子的态密度.

Fig.1 Convergence test and properties of Fe2O3 and gas molecules

图2 优化后H2分子在α-Fe2O3(0001)表面稳定吸附的吸附能、键长和键角（a）—A构型；（b）—B构型；（c）—C构型；（d）—D构型.

Fig.2 Adsorption energies，bond lengths and bond angles of stable adsorption of H2 molecules on the α-Fe2O3(0001) surfaces after optimization

图3 H2分子在α-Fe2O3(0001)表面吸附的分波态密度（a）—A构型；（b）—B构型；（c）—C构型；（d）—D构型.

Fig.3 Partial density of states of H2 molecules adsorbed on the α-Fe2O3(0001) surface

图4 优化后CO分子在α-Fe2O3(0001)表面稳定吸附的吸附能、键长和键角（a）—A构型；（b）—B构型；（c）—C构型；（d）—D构型.

Fig.4 Adsorption energies, bond lengths and bond angles of stable adsorption of CO molecules on the α-Fe2O3(0001) surface after optimization

图5 CO分子在α-Fe2O3(0001)表面吸附的分波态密度（a）—A构型；（b）—B构型；（c）—C构型；（d）—D构型.

Fig.5 Partial density of states of CO molecules adsorbed on the α-Fe2O3(0001) surface

图6 H2分子,CO分子与α-Fe2O3(0001)表面反应的路径和能量变化（a）—H2；（b）—CO.

Fig.6 Pathways and energy changes during the reaction of the α-Fe2O3(0001) surface with H2 molecules and CO molecules

图7 α-Fe2O3(0001)表面上H2和CO分子的吸附相图和还原相图（a）—吸附相图；（b）—还原相图.

Fig.7 Adsorption phase diagrams and reduction phase diagrams of H2 and CO molecules on the α-Fe2O3(0001) surface

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Mechanisms of H₂ and CO Reaction on the Fe₂O₃(0001) Surface in Hydrogen-Based Shaft Furnace Based on DFT

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