碳热还原二氧化硅过程的机理分析
二氧化硅与碳反应的化学方程式
二氧化硅与碳反应的化学方程式
二氧化硅与碳在高温下发生反应，生成硅和一氧化碳。
其化学方程式为：
SiO₂ + 2C → Si + 2CO
这个反应是一个重要的化学反应，用于制备高纯度的硅。
在高温下，碳还原二氧化硅中的硅，生成硅和一氧化碳。
这个反应需要在高温下进行，通常需要在电炉或碳热还原炉中进行。
需要注意的是，这个反应是一个放热反应，因此在反应过程中需要控制温度，以避免反应过于剧烈而导致设备损坏或安全事故发生。
此外，由于一氧化碳是一种有毒气体，因此在操作过程中需要注意安全，避免一氧化碳泄漏对人体造成危害。
二氧化硅与碳单质高温反应离子方程式
二氧化硅与碳单质高温反应离子方程式二氧化硅与碳单质在高温下会发生反应，生成二氧化碳和硅。
反应的离子方程式可以表示为：SiO2(s) + C(s) → CO2(g) + Si(s)这个反应是一种燃烧反应，其中二氧化硅作为氧化剂，将碳单质氧化为二氧化碳，同时还生成了硅。
下面我将详细解释这个反应的过程和原理。
我们来了解一下二氧化硅的性质。
二氧化硅是一种无机化合物，化学式为SiO2。
它是一种白色固体，无味无臭，具有很高的熔点和沸点。
在常温下，二氧化硅是不容易与其他物质反应的，但在高温下，它可以与碳单质发生反应。
碳单质是一种非金属元素，化学式为C。
它是一种黑色固体，具有很高的熔点和沸点。
碳单质在高温下可以燃烧，与氧气反应生成二氧化碳。
在这个反应中，碳单质起到还原剂的作用，将氧气还原为二氧化碳。
当二氧化硅与碳单质在高温下接触时，二氧化硅作为氧化剂，将碳单质氧化为二氧化碳。
这个反应是一个氧化还原反应，其中碳单质被氧化，二氧化硅被还原。
反应过程可以用下面的步骤来描述：1. 二氧化硅的晶格结构在高温下破坏，使得二氧化硅变得更加活泼。
2. 碳单质被加热，使其分子内部的键变得不稳定。
3. 在二氧化硅的作用下，碳单质分子内部的键被破坏，碳原子与二氧化硅中的氧原子发生反应。
4. 碳原子被氧化为二氧化碳，同时硅原子被还原为硅。
5. 生成的二氧化碳以气体的形式释放出来，而硅以固体的形式析出。
这个反应在高温下进行，温度的升高可以加快反应速率。
此外，还可以通过添加催化剂或增加反应物的浓度来促进反应的进行。
这个反应在工业上有一些应用。
例如，二氧化硅与碳单质的高温反应可以用于制备纯度较高的硅材料。
此外，二氧化硅还可以作为陶瓷的重要原料，而碳单质可以作为燃料使用。
二氧化硅与碳单质在高温下发生反应，生成二氧化碳和硅。
这个反应是一种燃烧反应，其中二氧化硅作为氧化剂，将碳单质氧化为二氧化碳。
这个反应在工业上有一些应用，可以用于制备硅材料和陶瓷等。
碳质表面异相还原NO2 的反应机理
Received :2020⁃08⁃11;Revised :2020⁃09⁃26 *Corresponding author.Tel :188********,E⁃mail :923126537@. The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51976059).国家自然科学基金(51976059)资助碳质表面异相还原NO 2的反应机理许紫阳*,岳 爽,王春波,孙博昭,李航行(华北电力大学能源动力与机械工程学院,河北保定 071003)摘 要:基于量子化学密度泛函理论(DFT ),研究了碳质表面异相还原NO 2的反应机理,针对Zigzag 与Armchair 两种碳质表面,采用M 06⁃2X 方法与6⁃311G (d )基组联用,优化得到了不同反应路径下所有驻点的几何构型与能量,并对各路径进行了热力学与动力学分析,重点探究了CO 在NO 2异相还原反应中的作用规律,同时考察了碳质表面与反应温度对异相反应的影响㊂计算结果表明,NO 2在碳质表面的异相还原过程主要分为两个阶段,即NO 2还原阶段与碳氧化物释放阶段㊂通过对比无CO 分子参与的反应可知,参与反应的CO 分子可以降低各阶段的反应能垒并且加快各阶段的反应速率;CO 分子存在时,NO 2还原阶段的反应能垒被降低,促进了NO 2还原成NO 的异相反应过程,同时参与反应的CO 分子与碳质表面剩余氧原子结合,形成CO 2分子并释放,使碳氧化物释放阶段的反应能垒降低,从而促进了整体还原反应的进行㊂此外,与Armchair 型相比,基于Zigzag 型碳质表面的NO 2异相还原反应能垒更低且反应速率更快,说明NO 2异相还原反应更容易在Zigzag 型碳质表面进行㊂最后,由反应动力学分析可知,随着温度上升,各阶段的反应速率均增大,说明提高温度对碳质表面的NO 2异相还原能够起到促进作用㊂关键词:NO 2;CO ;碳质表面;异相还原;密度泛函;反应动力学中图分类号:TQ 534 文献标识码:AReaction mechanism of heterogeneous reduction of NO 2oncarbonaceous surfaceXU Zi⁃yang *,YUE Shuang ,WANG Chun⁃bo ,SUN Bo⁃zhao ,LI Hang⁃xing(School of Energy ,Power Engineering and Mechanical Engineering ,North China Electric Power University ,Baoding 071003,China )Abstract :Based on the quantum chemical density functional theory (DFT ),the mechanism of heterogeneous reduction of NO 2on carbonaceous surface was studied.For zigzag and armchair carbonaceous surfaces ,M 06⁃2X method and 6⁃311G (d )basis set were used to optimize the geometry configuration and energy of all stagnation points under different reaction paths ,and the reaction paths were analyzed and compared from thermodynamics and kinetics.The role of CO in the heterogeneous reduction of NO 2was deeply investigated ,and the effects of carbon surface and reaction temperature on the heterogeneous reaction were also investigated.The results show that the heterogeneous reduction process of NO 2on the carbon surface can be divided into two stages :the reduction stage of NO 2and the desorption stage of carbon oxide.By comparing the reactions without CO molecules ,it can be seen that the CO molecules involved in the reaction can reduce the reaction energy barrier of each stage and accelerate the reaction rate of each stage.In the presence of CO molecule ,the reaction energy barrier at the reduction stage of NO 2is reduced ,which promotes the heterogeneous reaction process of NO 2reduction to NO.CO molecules participating in the reaction can combine with the residual oxygen atoms on the surface to form and release CO 2molecules ,which reduces the reaction energy barrier in the release stage of carbon oxides ,thus promoting the overall reduction reaction.In addition ,the energy barrier of NO 2heterogeneous reduction reaction on zigzag surface is lower and the reaction rate is faster than that on armchair surface ,which indicates that the heterogeneous reduction reaction of NO 2is easier on Zigzag carbonaceous surface.Finally ,the reaction kinetics analysis shows that the reaction rate of each stage increases with the increase of temperature ,which indicates that increasing temperature can promote the heterogeneous reduction of NO 2on the carbonaceous surface.Key words :NO 2;CO ;carbonaceous surface ;heterogeneous reduction ;density functional theory ;reactionkinetics 氮氧化物NO x 是破坏自然环境和危害人体健康主要的大气污染物之一,大气中的NO x 污染物主第48卷第10期2020年10月燃 料 化 学 学 报Journal of Fuel Chemistry and Technology Vol.48No.10Oct.2020要来源于传统化石燃料的大量燃烧,包括燃煤产生的烟气与汽车排放的尾气[1-3]㊂研究指出,大气中的NO x气体污染物主要成分包括NO㊁N2O以及NO2等气体分子[4,5],目前,诸多学者重点关注了NO以及N2O的相关反应机理[6-10],而针对NO2的生成与还原机理研究报道较少㊂近年来,随着催化氧化技术以及富氧㊁流化床等燃烧技术的快速发展[11-13],使NO可以在较大温度范围内被氧化为NO2,导致大气环境中NO2气体污染物的增加㊂García等[14]的研究指出,与NO相比,NO2分子具有更低的键级键能与更高的偶极矩,其研究结果表明NO2分子有着更活泼的化学性质;同时,大量研究证实,大气中的NO2会引起人类呼吸道疾病并且造成酸雨㊁光化学烟雾等严重环境灾害[13,15]㊂因此,鉴于NO x尤其是NO2的严重危害性,探究如何减少煤炭燃烧与汽车尾气产生的NO2在大气中的排放尤为重要㊂当前,在各种控制NO2排放的方法中,碳质材料异相催化还原方法因具有价格低廉㊁吸附转化效率高㊁反应需要温度低等优点,在NO2吸附转化与化石燃料低氮控制方面具有良好的发展前景[16]㊂Juguirim等[17]通过固定床反应器研究了NO2在碳质表面的异相吸附与还原过程,结果表明,碳质表面不仅为NO2的吸附提供了反应位点,同时,碳质表面还对NO2异相还原为NO起到了催化作用; Muckenhuber等[18]通过TPD⁃MS实验同样证实,在100-900℃,NO2会在碳质表面发生异相还原反应,最终生成NO分子与C-(O)㊂上述实验结果均表明,碳质材料作不仅能够吸附NO2分子,同时可作为催化剂或还原剂,将NO2会异相还原为NO㊂此外,王春波等[19,20]的研究指出,高浓度CO气氛是影响NO2在碳质表面异相还原反应进行程度的重要因素,此结论同样被Wang等[4]的实验结果证实,后者利用一种固定床反应系统探究了富氧燃烧条件下NO2的异相还原特性,其实验结果表明,CO促进了碳质表面异相还原NO2的反应过程,并且随着CO组分浓度的增加,NO2还原率逐渐增加;另外,反应动力学数据亦表明,高浓度的CO降低了NO2异相还原反应的表观活化能,从而加速了反应的进行㊂上述实验研究不断深化了关于碳质表面NO2异相还原反应机理的认识,但由于碳质材料本身的复杂性以及反应的快速性[21],传统实验手段很难直接对碳质表面气体分子的反应历程进行直接测量,因此,关于碳质表面的NO2异相还原机理尚缺乏准确认知㊂近年来,随着计算机技术以及量子理论的发展,量子化学密度泛函计算(DFT)成为认识分子几何结构与探究反应机理的有效手段[22],采用量子化学密度泛函计算方法可以从分子层面详细揭示微观反应机理,同时便于进行反应动力学及热力学等相关参数的计算㊂Singla等[23]使用量子化学密度泛函方法,成功揭示了NO2在硼氮纳米管(BNNT)表面的异相吸附与转化机理㊂Zhu等[16]同样利用密度泛函理论方法,探究了纯碳质表面与氮掺杂碳质表面异相还原NO2的反应机理,从理论上揭示了碳质表面对NO2吸附与还原的影响规律,但该研究提出的路径只重点关注了NO2异相还原成NO过程,并未对后续碳氧化物释放过程进行研究,并且其反应体系中没有引入CO分子,并未揭示CO对NO2异相还原的影响规律㊂综上所述,目前,关于碳质表面NO2异相还原反应的微观机理研究报道较少,且CO分子对还原反应的作用机理也尚未明确㊂因此,本研究采用密度泛函方法(DFT),对NO2在碳质表面的异相还原反应机理进行分子层面理论研究,重点探究CO对NO2异相还原反应的作用规律,同时考察了碳质模型结构与反应温度对NO2异相还原反应的影响㊂计算得到NO2⁃CO异相还原反应路径中各驻点的几何优化构型与吉布斯自由能,同时从热力学与动力学角度对各路径的反应特性进行了详细对比,深入研究了纯碳质表面异相还原NO2的微观反应机理,为低氮控制技术提供一定的理论指导依据㊂1 计算理论1.1 模型选择研究发现,碳质材料主要是由多个芳香环型苯环组成[24],其中,锯齿(Zigzag)型和扶手(Armchair)型两种碳质表面模型可以较好地吻合实验观测结果,因此,被广泛应用于碳质材料表面的NO x反应机理研究中[25,26]㊂Jiao等[27]采用Zigzag 模型,研究了NO异相还原的反应机理,揭示了碳质表面N2㊁CO2等反应生成物的释放规律;余岳溪等[28]采用Armchair模型,成功得到了碳质表面异相还原N2O的微观反应机理㊂Chen等[29]和Yang 等[30]使用量子化学方法对Zigzag型和Armchair型两种模型的化学性质进行了计算,计算结果与实验结果较为吻合㊂Gao等[31]和Jiao等[32]均采用7321第10期许紫阳等:碳质表面异相还原NO2的反应机理 Zigzag 与Armchair 两种模型,对N 2O 与NO 异相还原反应机理进行了理论探讨㊂综上,为深入研究碳质表面NO 2异相还原反应机理,本文选取Zigzag 型与Armchair 型两种结构作为碳质表面计算模型,模型结构见图1㊂图1 碳质表面模型示意图Figure 1 Framework of carbonaceous surface model1.2 计算方法研究表明,采用M 06⁃2X 方法可以在自旋污染较小的情况下提高反应能垒的准确度[33],并且此方法可以较准确地描述分子间非共价相互作用力,因而被广泛应用于较大分子体系的计算中[34]㊂本研究中,采用M 06⁃2X 方法与6⁃311G (d )基组联用[27]对各势能面上的几何结构进行优化,得到反应物(P )㊁产物(R )㊁各中间体(IM )及过渡态(TS )的几何构型;同时在M 06⁃2X /6⁃311G (d )水平上进行单点能计算,并引入零点能校正㊂此外通过振动频率分析几何结构的性质,中间体无虚频,过渡态有且仅有一个虚频;并对虚频结构进行了内禀坐标计算(IRC ),以保证各过渡态结构与反应物㊁中间体和产物之间的正确连接[35]㊂本研究所有计算均由Gaussian 16程序完成[36]㊂采用经典过渡态理论(TST )得到各反应动力学参数,计算公式如下[37]:k =Γ×k B T h ×Q TS Q A ×Q B ×exp (-Ea R ×T )(1)Γ=1+(124)×(h υm c k B T)2(2)式中,Γ为量子隧道修正系数;E a 为反应能垒,kJ /mol ;R 为气体摩尔常数,J /(mol ㊃K );T 为温度,K ;k B 为玻尔兹曼常数,J /k ;h 为普拉克常数,J ㊃s ;Q TS ㊁Q A ㊁Q B 依次为过渡态TS ㊁反应物A 与反应物B 的配分函数;υm 为反应路径振动的频率;cm -1;c 为光速,单位为m /s ㊂2 结果与讨论本节中,分别讨论了NO 2在Zigzag 与Armchair型两种碳质表面的异相还原反应过程㊂首先,分析了NO 2在碳质表面的吸附过程,并比较了不同构型的吸附能,从而选择出各自路径中热力学上最有利的初始反应物构型;其次,根据反应路径计算结果,将整个异相还原过程分成两个阶段,分别为NO 2还原与碳氧化物释放阶段;同时,通过对比有无CO 参与的反应路径,探讨了CO 对NO 2异相还原反应中各阶段的影响规律㊂2.1 Zigzag 型碳质表面NO 2异相反应2.1.1 Zigzag 型碳质表面NO 2吸附构型在碳质表面进行的异相反应均以反应物的化学或物理吸附作为反应的第一步[38],本研究中,NO 2在碳质表面的吸附是整个反应路径的第一步㊂由于Zigzag 与Armchair 碳质模型表面的不同碳位点常常表现出不同的反应活性[39,40],因此,首先对NO 2在碳质表面所有可能的吸附构型进行了计算㊂吸附构型与能量变化见图2㊂图2 NO 2吸附构型与能量Figure 2 Adsorption configuration and energy of NO 2由图2可知,NO 2能够以N⁃O⁃down 和O⁃O⁃down 两种方式吸附在Zigzag 型碳质表面不同活性C 位点上,最终形成五种不同构型㊂由能量变化可知,当NO 2以O⁃O⁃down 的方式吸附在Zigzag 型碳质表面的侧边界上放出的能量最多,也就是说,在同等热力学条件下,吸附构型Z 1最易形成㊂因此,本研究在关于Zigzag 型碳质表面进行的反应路径研究中,均采用吸附构型Z 1作为反应的起始反应物㊂2.1.2 CO 参与下Zigzag 型碳质表面NO 2异相还原(路径1)CO 参与时Zigzag 型碳质表面NO 2异相还原的反应过程与能量变化见图3,反应路径中涉及的各驻点结构见图4㊂为便于描述,将此路径称为路径1㊂8321 燃 料 化 学 学 报第48卷图3 路径1反应过程的能量变化Figure 3 Potential energy surface change of path⁃1图4 路径1反应过程的各驻点结构Figure 4 Structures of stagnation points of path⁃1 由图3㊁图4可知,路径1的反应经历五个过渡态和六个中间体,最终生成一个NO 分子和一个CO 2分子㊂为清楚描述整体反应过程,根据反应顺序,可将IM 1⁃IM 4过程定义为NO 2还原阶段,将IM 5⁃P 过程定义为碳氧化物释放阶段㊂其中,NO 2还原阶段的反应过程描述如下:首先,CO 分子以C⁃down 方式吸附在C (3)位点形成IM 1,并释放出393.3kJ /mol 的能量,较自由状态下已经趋向于分离;随后,此N -O 键继续被拉长直至断裂,同时C (2)位点上的O 原子与C (3)位点上的C 原子靠近并成键,形成CO 2分子,此过程翻越的能垒为52.5kJ /mol ;紧接着,C (1)位点上的NO 分子克服9321第10期许紫阳等:碳质表面异相还原NO 2的反应机理10.7kJ /mol 的能垒旋转形成结构IM 3;最终,吸附在C (1)位点上的NO 分子克服108.7kJ /mol 的反应能垒脱离碳质表面,脱离过程中C (1)-O 键长变化为1.387Å(IM 3)→1.948Å(TS 3)→∞Å(IM 4),同时,NO 分子的N -O 键长由1.310Å缩短至1.139Å,与自由气体状态下N -O 键长一致,实现NO 分子从碳质表面的完全脱附㊂此时,NO 2分子经碳质表面异相吸附与分解已被还原为NO 分子,对比上述反应过程的能量变化可知,由IM 3→IM 4的反应过程能垒最大,表明路径1中NO 2还原阶段的决速步为NO 释放过程㊂NO 2还原过程中CO 分子已经吸附在Zigzag表面,因此,NO 2还原成NO 并释放后,剩余的O 原子与CO 分子结合形成CO 2分子,此时路径1中碳氧化物释放阶段表现为CO 2分子释放过程,反应过程描述如下:首先,IM 5中C (3)-C 键发生断裂并克服217.7kJ /mol 的反应能垒形成IM 6,C (3)-C 键长由1.473Å被拉长为3.096Å;随后,C (2)位点上的O 原子克服84.1kJ /mol 的反应能垒脱离碳质表面,C (2)-O 键由1.401Å增大为2.934Å,同时,CO 2分子中C -O -C 键角由130.6°增大为180.0°,与自由气体状态下一致,从而实现CO 2分子的完全脱附㊂对比反应过程中的能量变化可知,路径1中碳氧化物释放过程的决速步为IM 5→IM 6㊂2.1.3 Zigzag 型碳质表面NO 2异相还原(路径2)无CO 参与时NO 2异相还原的反应过程与能量变化见图5,反应路径中涉及的各驻点结构见图6㊂为便于描述,将此路径称为路径2㊂图5 路径2反应过程的能量变化Figure 5 Potential energy surface change of path⁃2 结合图5㊁图6可以看出,无CO 参与时,路径2同样可分为NO 2还原阶段与碳氧化物释放阶段,分别为过程IM 1⁃IM 4与IM 5⁃P 1㊂其中,NO 2还原过程共经历三个过渡态与四个中间体,最终生成一个NO 分子与一个O 原子吸附在碳质表面,此阶段反应过程描述如下:首先,吸附在碳质表面上的NO 2分子中N -O 键克服58.4kJ /mol 的能垒由1.378Å被拉长为2.679Å,NO 2分解为NO 分子与O 原子;随后,NO 分子克服2.9kJ /mol 的反应能垒绕C (1)位点上的O 原子旋转形成结构IM 3;最后,吸附在C (1)位点上的NO 分子克服116kJ /mol 的反应能垒脱离碳质表面,脱离过程中C (1)-O 键长变化为1.380Å(IM 3)→1.945Å(TS 3)→∞Å(IM 4)㊂对比各反应过程的能量变化可知,路径2中NO 2还原过程的决速步同样为IM 3→IM 4,即NO 释放过程㊂此外,由路径2与路径1中NO 2还原过程的决速步能垒值变化可知,路径1中NO 2异相还原过程能垒更低,这表明,CO 分子的参与使Zigzag 型碳质表面NO 2还原阶段的反应能垒被降低,CO 分子对NO 2异相还原反应存在促进作用㊂由路径2反应过程可以看出,无CO 分子参与时,NO 2还原阶段形成的O 原子直接与碳质表面C 原子结合形成CO 分子后脱离碳质表面㊂此反应过程具体描述如下:首先,碳质表面上C (2)活性位点所属的六元环断裂;随后,断裂形成的CO 分子克服430.8kJ /mol 的反应能垒从碳质表面脱离;最后原C (2)位点所属六元环封闭形成五元环,形成如P 1所示的稳定结构㊂此时CO 分子中C -O 键长变为1.123Å,与自由气体状态下一致,可以看到当CO 分子未参与时,碳氧化物释放阶段只经历一个过渡态,形成一个NO 分子与一个CO 分子㊂对比路径1与路径2的反应过程可以看出,CO 分子参与反应时会与NO 2还原后的剩余O 原子结合形成CO 2分子后再脱离碳质表面,使路径1中碳氧化物释放阶0421 燃 料 化 学 学 报第48卷段的反应能垒降低㊂以上分析表明,在Zigzag 型碳质表面异相还原NO 2的反应中,CO 分子不仅对NO 2还原过程存在促进作用,同时,作为反应物的CO 分子使碳氧化物释放过程变得容易,从而促进了整体反应的进行㊂图6 路径2反应过程的各驻点结构Figure 6 Structures of stagnation points of path⁃22.2 Armchair 型碳质表面NO 2异相还原2.2.1 Armchair 型碳质表面NO 2吸附构型为探究碳质表面的结构对NO 2异相还原反应的影响㊂同Zigzag 型碳质模型一致,首先对NO 2在Armchair 型碳质表面的不同吸附构型进行了能量计算与比较,吸附构型与能量见图7㊂由图7可以看到,NO 2分别能够以N⁃O⁃down 和O⁃O⁃down 两种方式吸附在Armchair 型碳质表面不同活性位点上,形成六种不同吸附构型㊂由能量变化可知,吸附结构A 1的能量最低,这表明在同等热力学条件下,结构A 1最容易形成㊂因此,本研究在关于Armchair 型碳质表面进行的反应路径研究中,采用吸附构型A 1作为反应的起始反应物㊂值得注意的是,当NO 2吸附在Armchair 型碳质表面形成A 1结构时,分子中的一个N -O 键即发生断裂,此时吸附在碳质表面的NO 2已经分解为C (NO )与C (O)㊂图7 NO 2吸附构型与能量Figure 7 Adsorption configuration and energy of NO 21421第10期许紫阳等:碳质表面异相还原NO 2的反应机理2.2.2 CO 参与下Armchair 型碳质表面NO 2异相还原(路径3)CO 参与时Armchair 型碳质表面NO 2异相还原过程和碳氧化物释放过程的能量变化见图8㊂反应中涉及的各驻点结构见图9㊂为便于描述,将此路径称为路径3㊂图8 路径3反应过程的能量变化Figure 8 Potential energy surface change of path⁃3图9 路径3反应过程的各驻点结构Figure 9 Structures of stagnation points of path⁃3 由图8与图9可以看到,路径3的反应共经历四个过渡态和五个中间体,最终形成成一个NO 分子与一个CO 2分子㊂同样根据反应顺序,将反应中IM 1⁃IM 2过程定义为NO 2还原阶段,IM 3⁃P 过程定2421 燃 料 化 学 学 报第48卷义为碳氧化物释放阶段㊂各阶段反应过程描述如下:首先,游离CO 分子以C⁃O⁃down 的形式吸附在Armchair 碳质表面的C (3)和C (2)活性位点形成IM 1;随后,C (1)位点上NO 分子克服134.5kJ /mol 的反应能垒脱离碳质表面;最后,剩余在碳质表面的CO 2分子经历三个过渡态脱离碳质表面:第一,C (3)位点上的C 原子克服112.2kJ /mol 的反应能垒发生脱离,C (3)⁃C 键由1.464Å被拉长为2.893Å,同时C -O -C 键角由118.2°增大为126.0°;第二,C (2)位点上的CO 2分子克服34.9kJ /mol 的反应能垒绕C (2)⁃O 原子发生翻转形成结构IM 5;第三,C (2)位点上的O 原子翻越105.2kJ /mol 的能垒脱离碳质表面,C -O -C 键角由130.1°变为180.0°,同时C -O 键长由1.399Å变为1.155Å,与自由气体状态下一致,最终实现CO 2的完全脱附㊂从反应能量变化可以看出,路径3中NO 2还原阶段的决速步为IM 1→IM 2,碳氧化物释放过程的决速步反应为IM 3→IM 4㊂对比路径1与路径3中NO 2还原阶段的反应过程可以发现,Zigzag 型与Armchair 型碳质表面NO 2还原阶段的决速步均为NO 释放过程,由能垒变化可知,路径1中NO 释放所需的反应能垒较路径3更低,这表明与Armchair 型碳质相比,Zigzag 型碳质表面的NO 2还原反应更容易发生,说明Zigzag 型碳质表面对NO 异相还原反应的促进作用较强㊂2.2.3 Armchair 型碳质表面NO 2异相还原(路径4)无CO 参与时Armchair 型碳质表面NO 2异相还原过程和碳氧化物释放过程的能量变化见图10,反应中涉及的各驻点结构见图11㊂为便于描述,将此路径称为路径4㊂同路径3中NO 2还原阶段的过程类似,由于吸附后NO 2分子中一个N -O 键已经发生断裂,路径4中NO 2还原阶段反应过程同样为NO 分子的释放过程,即IM 1→IM 2㊂由反应路径的能量变化可知,路径4中NO 分子释放过程所克服的反应能垒为151.6kJ /mol ,与路径3相比,路径4中NO 2还原所克服的反应能垒较高,以上分析进一步说明,CO 分子对NO 2还原阶段的反应存在促进作用㊂同时,对比路径4与路径2中NO 2还原阶段的反应能垒可以发现,路径2的决速步能垒更低,这进一步表明与Armchair 相比,在Zigzag 型碳质表面进行的NO 2异相还原反应更容易发生㊂同样根据反应顺序,将路径4中过程IM 3⁃P 定义为碳氧化物释放过程,反应共经历三个过渡态与三个中间体,最终形成一个CO 分子脱离碳质表面㊂反应过程描述如下:首先,结构IM 3中C (1)原子与C (5)原子克服92.1kJ /mol 的反应能垒靠近成键;其次,C (1)位点上的CO 分子克服10.7kJ /mol 的反应能垒绕C (2)原子旋转形成IM 5;最后,C (1)位点上的CO 分子克服131.1kJ /mol 的反应能垒脱离碳质表面,脱离过程中C (1)-C (2)键长变化为1.460Å(IM 5)→2.277Å(TS 4)→3.091Å(P ),同时脱离后CO 分子的C -O 键长变为1.123Å,最终与自由气体状态下一致,从而实现CO 分子从碳质表面的完全脱离,由上述能量变化可知,碳氧化物释放阶段的决速步为IM 5→P㊂图10 路径4反应过程的能量变化Figure 10 Potential energy surface change of path⁃42.3 反应动力学分析根据经典过渡态理论,计算各反应路径决速步在300-900K [2,18]反应速率常数,其中,图12(a )为各反应路径中NO 2还原阶段决速步的反应速率常3421第10期许紫阳等:碳质表面异相还原NO 2的反应机理数,图12(b )为各反应路径碳氧化物释放阶段决速步的反应速率常数㊂同时对各反应速率常数曲线拟合得到各反应的动力学参数,结果见表1㊂图11 路径4反应过程的各驻点结构Figure 11 Structures of stagnation points of path⁃4图12 (a )NO 2分解阶段决速步反应速率常数,(b )碳氧化物释放阶段决速步反应速率常数Figure 12 (a )Reaction rate constants of the rate⁃determining steps in the reduction of NO 2,(b )Reaction rate constants of therate⁃determining steps in the desorption of carbon oxide 由图12(a )与图12(b )可知,随着温度的上升,各反应的速率常数均增大,说明提高温度对NO 2异相还原起到促进作用;同时通过对比无CO分子参与的各阶段反应过程可以发现,CO 分子参4421 燃 料 化 学 学 报第48卷与时各阶段的反应速率常数均大于无CO 分子参与时的反应速率常数,这说明CO 分子对碳质表面异相NO 2的反应存在促进作用㊂表1 反应动力学参数Table 1 Reaction kinetic parametersModels StagesPre⁃exponential factor A /s -1Activation energy E a /(kJ ㊃mol -1)Arrhenius equation ZigzagNO 2reduction with CO2.90×1013104.01k =2.90×1013e -12508.41/T NO 2reduction without CO 1.40×1014124.25k =1.40×1014e -14943.92/T carbon oxide desorption with CO9.49×1013224.42k =9.49×1013e -26991.54/T carbon oxide desorption without CO5.44×1016454.69k =5.44×1016e -54686.77/T ArmchairNO 2reduction with CO 3.54×1014135.00k =3.54×1014e -16236.87/T NO 2reduction without CO9.03×1014164.55k =9.03×1014e -19790.39/T carbon oxide desorption with CO 3.94×1013116.58k =3.94×1013e -14021.60/T carbon oxide desorption without CO3.58×1015127.59k =3.58×1015e -15345.05/T 由表1可知,CO 分子参与时各路径中NO 2还原阶段的反应活化能均小于无CO 分子参与时的反应活化能,这表明CO 分子参与反应时,NO 2异相还原过程更容易发生,CO 分子对NO 2异相还原存在促进作用;另外对比各路径中碳氧化物释放阶段的反应活化能可以发现,与无CO 分子相比,CO 分子参与反应时碳质表面碳氧化物释放阶段的反应活化能均更低,说明CO 分子同样促进了碳氧化物释放反应的进行㊂以上分析结果同王鹏乾等[19,41]的实验现象基本一致,后者利用固定床反应平台研究了富氧燃烧条件下NO 2的异相还原特性,实验结果表明提高反应温度㊁CO 分子参与均对碳质表面的NO 2异相还原存在促进作用㊂另外,对比NO 2在不同碳质表面还原阶段的反应活化能与反应速率常数可以发现,在Zigzag 型碳质表面进行的NO 2还原反应的活化能更低且速率常数更大,这表明与Armchair 型相比,NO 2还原反应更容易在Zigzag 表面进行且反应速率常数更快,说明Zigzag 型碳质表面的催化活性更高,这与Gao[31,32,40]等的理论计算结论一致㊂3 结 论碳质表面异相还原NO 2的反应过程可以分为两个阶段:NO 2还原阶段与碳氧化物释放阶段㊂其中,NO 2还原阶段的反应生成一个NO 分子,同时在碳质表面剩余一个O 原子;根据有无CO 分子参与反应,碳氧化物释放阶段的反应分别生成一个CO 2分子与一个CO 分子从碳质表面释放㊂参与反应的CO 分子可以降低各阶段的反应能垒并且加快各阶段的反应速率,对碳质表面异相还原NO 2的反应存在促进作用㊂在NO 2还原阶段,CO 分子的参与NO 2异相还原为NO 的反应能垒降低,加快了NO 2异相还原的反应速率;在碳氧化物释放阶段,参与反应的CO 分子与剩余O 原子结合形成CO 2后从碳质表面释放,降低了反应能垒,从而促进了整体反应的进行㊂与Armchair 型相比,在Zigzag 型碳质表面进行的NO 2异相还原反应能垒更低且反应速率常数更大,这表明NO 2异相还原成NO 的反应更容易在Zigzag 型碳质表面进行㊂随着温度的上升,各阶段的反应速率常数均增大,说明提高温度对碳质表面异相还原NO 2反应存在促进作用㊂参考文献[1] 张秀霞,吕晓雪,伍慧喜,谢苗,林日亿,周志军.钠对焦炭非均相还原NO 的微观作用机理[J ].燃料化学学报,2020,48(6):663-673.(ZHANG Xiu⁃xia ,LÜXiao⁃xue ,WU Hui⁃xi ,XIE Miao ,LIN Ri⁃yi ,ZHOU Zhi⁃jun.Microscopic mechanism for effect of sodium on NO heterogeneous reduction by char [J ].J Fuel Chem Technol ,2020,48(6):663-673.)[2] 谈冠希,迟姚玲,李双,易玉峰,靳广洲.锰锆复合氧化物CO 催化还原NO 性能研究[J ].燃料化学学报,2019,47(10):1258-1264.(TAN Guan⁃xi ,CHI Yao⁃ling ,LI Shuang ,YI Yu⁃feng ,JIN Guang⁃zhou .Study on the performance of Mn⁃Zr composite oxide for CO reduction of NO [J ].J Fuel Chem Technol ,2019,47(10):1258-1264.)[3] TAYLOR K.nitric oxide catalysis in automotive exhaust systems [J ].Catal Rev ,1993,4(35):457-481.[4] WANG C ,WANG P ,DU Y ,CHE D.Experimental study on effects of combustion atmosphere and coal char on NO 2reduction under oxy⁃fuelcondition [J ].J Energy Ins ,2019,92(4):1023-1033.[5] 信晶.煤焦⁃NO 反应过程中氮转化机理与试验研究[D ].北京:华北电力大学,2015.5421第10期许紫阳等:碳质表面异相还原NO 2的反应机理。
碳硅高温反应机理研究
碳硅高温反应机理研究
一、高温反应机理研究的重要性
二、高温反应机理研究方法
1.氧化还原体系的确定:主要是氧化还原体系中各种离子参与反应的先后顺序和强弱,以及电荷分布等的不同;
2.物质间的相互作用力的影响:由于物质间的相互作用力对物质反应活性的影响很大,所以我们必须从微观角度来研究物质间的相互作用力。
3.溶剂效应的影响:由于溶剂的存在会改变其他物质的表面性质,因此,也会影响到这些物质的化学反应速率。
4.热化学条件的影响:由于热化学条件的变化可能导致反应速率的突然变化或者平衡的移动,从而引起高温下的化学反应机理的改变。
5.光谱信息的提取:通过光谱技术获得的数据,如红外光谱、拉曼光谱、紫外-可见吸收光谱、核磁共振谱等,都有助于对高温反应机理进行更深入的了解。
6.综合考虑:根据高温反应机理研究结果,选择最佳实验条件,并且控制适当的温度、压力等参数,以便为科学家寻找新材料和设计新型高温器件提供依据。
三、高温反应机理研究展望1.提高材料耐热性的研究:目前,研究人员已经成功地将碳纳米管、石墨烯、金刚石等多孔碳素材料应用于高温器件的制造。
随着新型材料的开发和制备工艺的不断完善,高温器件的耐热性也将得到显著提升。
从热力学角度解释C还原CuO、SiO2氧化产物
Δ r HmΘ －TΔ r S mΘ .
高温
应的 Δ 当Δ 该 反 应 自 发, 而Δ r G m , r G m ＜ ０ 时, r G m ＝
Θ Θ
根据 热 力 学 原 理, 一 个 反 应 能 不 能 进 行, 取决于这个反
) ) ( ) ) 接着发生反应 : C O( ＋C u O( s u s ＋C O ������������C g g ２( } Δ G mΘ ( C O) ƒ
摘㊀要: 针对学生初三学过的碳还原氧化 铜 的 氧 化 产 物 是 二 氧 化 碳 , 而高一同样碳还原二氧化硅的氧化产物却是一氧化
一 ㊁问题的提出
) ) ( ) , 于 是, 有了这样的疑 ２ C( s ＋S i O s i s ＋２ C O( ������������S g) ２( 问 :C 和 C 有没 u O 高温 条 件 下 的 氧 化 产 物 为 什 么 是 C O ２, 有可能有 C O? 而 C 和 S i O２ 高 温 条 件 下 的 氧 化 产 物 为 什 么 又是 C在 还 原 C u O 的时候首
高温
也自发 , 则说明 C 和 C u O 的反应的氧化产物应该是 C O㊁
生成 C 所以 C 和 C O u O 的氧化产物应该是 C O２ . ２,
) ) ( ) . 如 果 第 一 步 自 发, 第二步在 S i O２( s ２ C O ＋S i s ������������ g ２( 如 果 第 一 步 自 发, 第二步在相同的条件下不 C O㊁ C O２ 并 存 ; 能自发 , 则说明 C 和 S i O２ 的反应的氧化产物应该是 C O. 三 ㊁计算 已知 : 相同条件下也 自 发 , 则说明 C和 S i O ２的 反 应 的 氧 化 产 物 是
真空碳热还原过程中二氧化硅的挥发行为
真空碳热还原过程中二氧化硅的挥发行为罗启;刘大春;曲涛;田阳;杨斌;戴永年【摘要】为了解在真空碳热还原过程中SiO2的还原特性以及还原过程中的主要影响因素,对二氧化硅的还原过程进行热力学分析,得出化学反应自由能和临界温度.在系统压力为2～200 Pa条件下,以分析纯SiO2和Fe2O3为原料,采用XRD,S EM,EDS和化学成分分析等手段,研究Fe/Si摩尔比、配碳量、反应时间、还原剂粒度和升温速率对硅的挥发率和还原反应速率的影响.实验结果表明:在100 Pa条件下,SiO2的临界反应温度为1 330～1 427K.SiO2发生气化反应生成的SiO气体挥发至石墨冷凝系统歧化生成Si和SiO2,造成硅的损失,且有部分SiO气体和石墨反应生成SiC;增大Fe/Si摩尔比和配碳量以及减小还原剂粒度均降低了硅的挥发率,提高了SiO2还原反应速率;延长反应时间和提高升温速率增加了硅的挥发率.%In order to research the reduction characteristics of silica by carbothermic reduction in vacuum, the Gibbs free energy and critical temperature of the Si oxide deoxidized reaction by C were calculated and analyzed thermodynamically. The pure SiO2 powder was mixed to make pellets with Fe2O3 and coal powders, and the effects of Fe/Si molar ratio, carbon content, reaction time, reductant grain size and heating rate on the volatilization ratio and reaction rate of silica in carbothermic reduction were investigated by means of XRD, SEM, EDS and chemical composition analysis in vacuum (2-200 Pa). The results show that the critical temperature of SiO2 is 1 330-1 427 K when the system pressure is 100 Pa. After SiO2 converses to SiO, SiO disproportionats into Si and SiO2 in the graphite condensing system, and some of SiO with graphite transform intoSiC. With the increase of Fe/Si molar ratio, carbon content and the decreases of reductant grain size, the volatilization ratio of silicon decreases, but the rale of reaction increases. With the rise of heating rate and reaction time, the volatilization ratio of silicon increases.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(043)008【总页数】9页(P2900-2908)【关键词】真空冶金;二氧化硅;三氧化二铁;挥发率【作者】罗启;刘大春;曲涛;田阳;杨斌;戴永年【作者单位】昆明理工大学真空冶金国家工程实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学云南省复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学云南省有色金属真空冶金重点实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学真空冶金国家工程实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学云南省复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学云南省有色金属真空冶金重点实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学真空冶金国家工程实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学云南省有色金属真空冶金重点实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学真空冶金国家工程实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学云南省有色金属真空冶金重点实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学真空冶金国家工程实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学云南省复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学云南省有色金属真空冶金重点实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学真空冶金国家工程实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学云南省复杂有色金属资源清洁利用国家重点实验室,云南昆明,650093;昆明理工大学云南省有色金属真空冶金重点实验室,云南昆明,650093【正文语种】中文【中图分类】TF801;TF803.4国内外处理红土镍矿的方法主要包括[1-6]：回转窑干燥预还原—电炉熔炼法(RKEF)、烧结—鼓风炉硫化熔炼法、烧结—高炉还原熔炼法、还原焙烧—氨浸法和高压酸浸法。
浅析C和SiO2的反应
高温 工业制取粗硅的反应２C＋SiO２ ������������Si＋２CO↑,使毫 不 起眼的沙子转化成精密电路中使用的半 导 体 材 料,可 以 称 之
为现代版的“点石成金”.关于 C 和 SiO２ 在高温条件 下 的 反
应产物,部分学生认 为 反 应 过 程 中 首 先 生 成 CO２,然 后 过 量
浅析 C 和 SiO２ 的反应
王素莲
摘 要:据调查,对于 C 的还原性弱于Si,C 却能够还原SiO２,以及 C 和SiO２ 的反应产物是 CO 而不是 CO２ 的原理,高中学 生 理 解 困 难 ,大 部 分 学 生 理 解 有 误 区 ,本 文 主 要 从 氧 化 还 原 的 反 应 规 律 以 及 热 力 学 角 度 进 行 分 析 ,并 得 出 相 应 的 结 论 .
SiO２
－９１０．７
－８５６．３
４１．５
O２
０
０
２０５．２
高温 反 应 ３:２C(s)＋SiO２(s)������������Si(s)＋２CO(g)
高温 反 应 ４:C(s)＋SiO２(s)������������Si(s)＋CO２(g)
应的 ΔrGm ＜０时,该 化 学 反 应 可 以 正 向 自 发 进 行. 若 忽 略
温 度 对 热 容 的 影 响 ,可 以 根 据
ΔrGmΘ
＝ΔrH
Θ m
－TΔrSmΘ
求
１５６
出反应正向进行所需的最低(最高)温度,其中 ΔrGmΘ＝ ∑Δƒ
GΘ m (生
成
物
)－
∑
ΔƒGm
Θ (反
应
物
),ΔrH
另外,吉达俊提出,当反应温 度 低 于 ８００K 时,C 的 氧 化
真空碳热还原制备高纯硅及铝硅合金的方法
真空碳热还原制备高纯硅及铝硅合金的方法下载温馨提示:该文档是我店铺精心编制而成，希望大家下载以后，能够帮助大家解决实际的问题。
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相应的 EDS 元素面扫描图。从图 1(a)中可以看出，SiO2(S)与 C(S|石墨)未接触的地方仍保持镜面，扩散偶薄 片接触区域边界消失，接触处发生了反应；由 EDS 能谱分析可知 SiO2(S)=C(S|石墨)扩散偶内 C 向 SiO2 区域 扩散，SiO2 与 C 发生还原反应，SiO2 发生脱氧反应。图 1(d)~(f)给出了 SiO2(S)=C(S|石墨)扩散偶在 1600℃焙 烧 20 min 的扩散偶的断面的散射 SEM 图及相应的 EDS 元素面扫描图。如图所示，高温焙烧 25 min 后， 样品的截面分成了三个成分不同的部分，分别是 C 薄片层、中间反应层以及 SiO2 薄片层。这说明扩散偶 内 Si 的脱氧反应是随着 C 向 SiO2 薄片体的扩散逐渐进行的。 用碳热还原 SiO2 原料制取硅金属，涉及到的化学反应较多，本试验的反应温度为 1600℃，主要是 Si 的氧化物被 C 还原，扩散偶内可能发生的化学反应及反应的吉布斯自由能见公式(1)~(4)：
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1. 引言
硅铁是一种重要的工业原料。广泛应用于金属镁的冶炼、钛合金、钢铁、玻璃等行业。硅铁是硅石 经矿热炉热还原而制得。硅石为自然矿石，其矿物结构复杂且含有一定的杂质；硅石的物理特性直接影 响到硅石在炉内的还原过程，进而影响到矿热炉的各项经济性能。 近年来，相关研究者针对硅石的利用进行了大量的研究，并取得了不少成果[1] [2] [3] [4]。研究结果 为硅石制备硅铁、冶金硅、陶瓷和耐火材料提供了许多有价值的理论基础。研究中发现硅石在 1450℃焙 烧后的真密度直接体现出硅石的可还原度。硅石的主要矿物组方石英和鳞石英所占比例直接影响硅石的 熔点、密度、空隙率等物理化学性质[5] [6] [7]。杨大兵、吴修竹等分析了炭还原硅石的热力学因素，确 定了碳热还原硅石中各化学反应的开始反应温度[8] [9] [10]。 这些研究者的研究多数集中在硅石物理化学分析和硅石热力学分析等方面。但对于碳热还原硅石的 机理研究缺乏有效的理论分析。本文利用扩散偶的方法研究了碳热还原硅石的反应过程、及其影响反应 过程的动力学因素，为提高矿热炉热还原效率，提高矿热炉生产的经济效率提供理论基础。
Metallurgical Engineering 冶金工程, 2017, 4(4), 244-250 Published Online December 2017 in Hans. /journal/meng https:///10.12677/meng.2017.44035
SiO 2 + 3C → SiC + 2CO SiO 2 + 2C → Si + 2CO
∆Gθ 1873 = −9.073 ∆Gθ 1873 = −11.303
(1) (2) (3) (4)
SiO 2 + C → SiO ( g ) + CO ∆Gθ 1873 = −9.56
SiO 2 + 2SiC → 3Si + 2CO ∆Gθ 1873 = −7.56
文章引用 : 李明 , 梁亚红 , 苏娟 , 范立峰 , 师文静 . 碳热还原二氧化硅过程的机理分析 [J]. 冶金工程 , 2017, 4(4): 244-250. DOI: 10.12677/meng.2017.44035
李明 等
应为扩散控制。
关键词
二氧化硅，碳热还原，扩散偶，界面反应
Copyright © 2017 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). /licenses/by/4.0/
2. 实验材料及方法
将分析纯的化学试剂 SiO2、 SiC 在 650℃、 大气中焙烧 2 h， 分析纯的石墨在在 50℃、 大气中烘干 4 h； 用球磨机磨至 15 μm 以下，作为原料使用。为制备扩散偶，把 CaO、SiC、石墨、及 CaO 与石墨混合料(摩 尔比 1:1)，以 100MPa 的压力制成薄片。试样薄片的表面进行吹氩研磨，抛光成镜面。 为研究 SiO2 和石墨反应的生成物和反应机理， 把 SiO2 圆片的抛光面和石墨圆片的抛光面组合在一起， 构成 SiO2(S)=C(S|石墨)扩散偶、 SiO2(S)=SiC 扩散偶和 SiC=C(S|石墨)扩散偶。 实验在(设备型号)真空热压烧结炉内 进行，真空度先缓慢抽取至 50 Pa，保压 30 min，在通入 Ar 气至 100 KPa，烧结温度为 1550℃，为保证 实验温度下试样不因温度变化而变形，实验时对试样保持 10 N 的持续压力。实验中实时监测炉气内 CO 浓度的变化。 反应后， 为避免因缓冷带来的任何变化， 通 Ar 气回复炉压并冷却试样。 冷却后， 树枝真空渗入试样， 固化后沿扩散方向进行断面切割，研磨断面并抛光。利用光学显微镜，场发射扫描电镜及其附带的能谱 仪观察矿物及组成，利用 X 射线衍射仪分析扩散偶断面中不同深度内物相的变化，并利用场发射扫描电 镜定性分析。
th th th
Abstract
In this paper, the Carbothermal reduction mechanism of SiO2 at high temperature is studied under diffusion couple of C(graphite) and SiO2. It was found that the solid reaction of SiO2 + C(graphite) = Si + CO is the main reduction process. The gasification reaction of C suppresses other reaction between SiO2 and C(graphite). The relation between Si layer thickness and time shows that the linear growth mechanism is dominant in the initial 2 h process, the slope is close to 1, and the reaction is controlled by the interfacial reaction; However, when the appearance thickness exceeds a critical value, the growth layer grows in a parabolic mechanism, slope is close to 0.5, and the reaction is controlled by the C diffusion.
3.2. Si 的生成与长大
SiO2(S)=C(S|石墨)扩散偶在炉内进行高温焙烧后的断面照片如图 2 所示。 图 2(a)， 图 2(b)内均可以观察到
DOI: 10.12677/meng.2017.44035 246 冶金工程
李明 等
a
b
C C SiO2
Si
SiO2
anisotropy
+1
c
d
3. 结果与分析
3.1. SiO2 与 C 间的反应
图 1(a)~(c)分别给出了 SiO2(S)=C(S|石墨)扩散偶在 1600℃焙烧 3 min 的扩散偶的断面的散射 SEM 图及
DOI: 10.12677/meng.2017.44035 245 冶金工程
李明 等
Figure 1. Back scattered SEM image for the cross section of the SiO2(S)=C(S|graphite) diffusion couple for 3 min (a) (b) (c), 20 min (d) (e) (f) and EDS elemental mapping across the SEM image 图 1. 1873K SiO2(S)=C(S|石墨)扩散偶反应 3 min、25 min 所得样品截面的背散射 SEM 及元素面扫 EDS 图。 (a) 3 min 扩散偶的 SEM 图，(b) 20 min 扩散偶的 SEM 图，(c) 3 min 扩散偶内 C 元素的 EDS 面扫图，(d) 3 min 扩散偶内 O 元素的 EDS 面扫图，(e) 20 min 扩散偶内 O 元素的 EDS 面扫图，(f) 20 min 扩散偶内 Si 元素的 EDS 面扫图
Keywords
Silicon Dioxide, Carbothermal Reduction, Diffusion Couple, Interface Reaction
碳热还原二氧化硅过程的机理分析
李 明，梁亚红，苏 娟，范立峰，师文静
内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古 呼和浩特
收稿日期：2017年12月4日；录用日期：2017年12月19日；发布日期：2017年12月29日
Байду номын сангаас
摘
要
本文将 C(石墨)和SiO2制成扩散偶，在高温下研究了SiO2的还原机理。结果表明，C(石墨 )和SiO2的界面反应 主要为 SiO2 + C(graphite ) = Si + CO，C的气化反应的存在抑制了 C(石墨)和 SiO2之间的其他反应的发生。 Si 层厚与时间的反应关系表明，在最初的 2 h过程中，线性生长机理占优势，其斜率接近于 1，反应为界 面反应控制；但是，当生长相厚度超过一个临界值时，生成层以抛物线机理生长，斜率接近于 0.5，反
Figure 2. Profile structure the of SiO2(S)=C(S|graphite) diffusion couple after roasting. (a) SiO2(S)=C(S| 石墨) diffusion couple 20 min, (b) SiO2(S)=C(S|石墨) diffusion couple 120 min 图 2. SiO2(S)=C(S| 石 墨 ) 扩散偶焙烧后的纵断面结构。 (a) SiO2(S)=C(S| 石 墨 ) 扩散偶 20 min ； (b) SiO2(S)=C(S|石墨)扩散偶 120 min