二元铜团簇催化水煤气变换反应机理的理论研究

水煤气变换反应是一个重要的反应体系, 它可以去除H₂中少量的CO而被应用在质子膜燃料电池中. 然而关于水煤气变换的反应机理还存在一定的争议, 为阐明其反应机理, 本文采用密度泛函理论PBE方法, 金属元素采用Lanl2dz基组, 非金属元素采用6-311++G(d,p)基组, 对系列二元铜团簇Cu₆TM (TM=Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Ag, Au)催化水煤气变换反应机理进行了研究. 结果表明: CO分子比H₂O分子更容易吸附到团簇上. 水煤气变换反应包括三种反应机理: 羧基反应机理, 氧化还原反应机理, 甲酸反应机理, 相对应的基元反应分别为CO^*+O^*→CO₂(g), CO^*+OH^*→COOH^*→CO₂(g)+H^*, 和CO^*+H^*+O^*→CHO^*+O^*→HCOO^**→CO₂(g)+H^*. 甲酸根是实验中最可能检测到的中间物, 这是由于生成甲酸根有较低的能垒以及甲酸根解离有较高的解离能. Co, Rh, Ni, Pd掺杂在Cu₇团簇中对水煤气转化反应的催化效果明显比纯Cu₇团簇催化效果好. 采用CO的初始消耗率以及最终CO₂的产率进一步研究了在Cu₆TM (TM=Co, Rh, Ni, Pd)表面甲酸根是反应过程中的旁观者还是一种重要的中间物. 计算结果还表明, 对于Cu₆TM (TM=Ni, Pd), 由于CO较低的反应能垒, 水煤气变换反应主要按照氧化还原反应机理进行反应, 而对于Cu₆TM (TM=Co, Rh), 水煤气变换反应三种反应机理均可进行反应. 本文的结果有助于理解水煤气变换反应和设计更好的催化剂.     

Pt (111)面和Pt14团簇上肉桂醛吸附及选择性加氢机理研究

利用密度泛函理论研究了Pt（111）面及Pt₁₄团簇对肉桂醛（CAL）的吸附作用和不完全加氢的反应机理。分析吸附能结果表明,肉桂醛分子以C=O与C=C键协同吸附在Pt（111）面上的六角密积（Hcp）位最稳定,以C=C键吸附在Pt₁₄团簇上最稳定,且在Pt₁₄团簇上的吸附作用较Pt（111）面更强。由过渡态搜索并计算得到的反应能垒及反应热可知,肉桂醛在Pt（111）面和Pt₁₄团簇上均较容易对C=O键加氢得到肉桂醇（COL）。其中,优先加氢O原子为最佳反应路径,即Pt无论是平板还是团簇对肉桂醛加氢均有较好的选择性。同时发现,肉桂醛分子在Pt（111）面的加氢反应能垒较Pt₁₄团簇上更低,即Pt的催化活性及对肉桂醛加氢产物选择性与其结构密切相关,其中,Pt（111）面对生成肉桂醇更加有利。     

Cu纳米针上电场促进C-C耦合增强CO2电还原生成C2产物

电催化CO₂减排技术利用电能将过量的CO₂转化为有附加值的化学品,是解决能源危机、实现碳中和的有效途径之一.电催化CO₂还原反应(CO₂RR)中的多碳产物(C₂),如乙烯和乙醇,因其比C1产物具有更高的能量密度和更广泛的应用而受到较大关注.目前为止,Cu基催化剂被认为是获得C₂产物的独特材料.研究者在提高Cu基催化剂C₂产物的活性和选择性方面做了大量的工作,如催化剂形貌工程、活性位点设计和中间吸附性能调控等.许多理论和实验研究已经证明,Cu基催化剂上的C-C偶联过程是C₂产物生成的速率决定步骤.优化C-C偶联过程的能垒是提高C₂产物活性和选择性的重要而直接的策略.CO₂RR在Cu上是由CO₂还原吸附CO(*CO)并二聚生成C₂产物引起的.C-C偶联过程与*CO的吸附性能密切相关.众所周知,CO是一种典型的极性分子,因此其在催化剂表面的吸附性能可能会受到活性位点周围的局部电场的影响.构建合适的局部电场是调节CO吸附性能和C-C偶联过程的潜在手段之一.前期工作(Nature,2016,537,382-386)证明了高曲率金纳米针可以在尖端产生高的局部电场.高局域电场诱导K+聚集,使活性位点周围CO₂浓度升高,大大促进了Au纳米针上的CO生成.基于Au纳米针的局域电场促进了CO₂RR的CO生成.本文利用Cu纳米针促进并优化C-C偶联反应来提高C₂产物活性和选择性.结果表明,局部电场可以促进C-C偶联过程,进而增强CO₂电还原生成C₂产物.有限元模拟结果表明,高曲率铜纳米针处存在较强的局部电场;密度泛函理论计算结果表明,强电场能促进C-C耦合过程.在此基础上,制备了一系列不同曲率的Cu催化剂,其中,Cu纳米针(CuNNs)的曲率最高,Cu纳米棒(CuNRs)和Cu纳米颗粒(CuNPs)曲率次之.实验测得CuNNs上吸附的K+浓度最高,证明了纳米针上的局部电场最强.同时,CO吸附传感器测试表明,CuNNs对CO的吸附能力最强,原位傅里叶变换红外光谱显示,CuNNs的*COCO和*CO信号最强.由此可见,高曲率铜纳米针可以诱导高局部电场,从而促进C-C耦合过程.催化性能测试结果表明,在低电位(-0.6 V vs.RHE)下,Cu NNs对CO₂RR的生成C₂产物的法拉第效率值为44%,约为Cu NPs的2.2倍.综上,本文为CO₂RR过程中提高多碳产物提供了新的思路.     

通过实验和理论验证Pt0/SrTiO3-δ复合催化剂双反应路径促进CO2还原(英文)

在以H₂O为质子源的光催化二氧化碳还原反应(CO₂RR)过程中,光解H₂O产氢气(H₂)被认为是一个竞争反应.因此,光催化CO₂RR过程需要抑制H₂的产生,以提高碳氢产物的选择性和产率.以CO₂和H₂为反应物的逆水气变换反应(RWGS)是常见的CO₂加氢反应,在较高的温度和催化剂作用下生成CO和H₂O.目前,光催化CO₂RR研究主要聚焦于产物的选择性,而有关光解H₂O产生的还原性气体H₂在光热效应的促进下成为CO₂RR中新的质子源研究较少.光热催化是一种新的高效催化反应方式,在反应过程中需要光照和加热.光照能够促进半导体光生载流子的激发,热效应则能降低反应物分子的活化势垒,并能够促进中间产物的表面迁移以及生成物的脱附.利用光热催化热力学和动力学上的有利条件,为以H₂     

ZrO2修饰Cu催化剂还原以及反应过程中表面组成的变化

通过热分解法制备Cu模型催化剂,然后经浸渍制备ZrO₂/Cu催化剂,采用SEM、XPS考察了催化剂表面形态和组成,并采用in-situ Raman考察了催化剂在还原和吸附CO和水的过程中随时间的变化。结果表明,还原前Cu催化剂表面主要存在CuO物种,而在ZrO₂/Cu表面,除了CuO物种,还存在着大量的表面羟基物种。ZrO₂/Cu相对Cu更加容易还原为Cu⁰,同时,ZrO₂在催化剂表面聚集形成絮状态,而Cu催化剂还原后主要形成Cu₂O物种。Cu催化剂表面吸附CO后,除了形成Cu-CO外,Cu₂O物种均会迅速消失形成CO₂。Cu催化剂对水的作用比较弱,但是ZrO₂/Cu催化剂和水作用较强,并且通过Cu-OH中间物形成Cu₂O物种。     

Zn含量对于Cu-Mn-Zn/ZrO2催化剂CO2加氢合成甲醇性能的影响研究(英文)

通过溶胶-凝胶方法制备了一系列不同Zn含量的Cu-Mn-Zn/ZrO₂催化剂,并通过XRD、BET、TPR、N₂O吸附、XPS、TPD和in-situ DRIFTS进行了表征。结果表明,随着Zn含量增加,催化剂上CO₂加氢反应的活性增加。在所有样品中,Cu₃MnZn_0.5Zr_0.5(CMZZ-0.5)在250℃和5 MPa条件下具有最高的CO₂转化率(6.5%)和甲醇选择性(73.7%)。表征结果表明,Zn进入Cu_1.5Mn_1.5O₄尖晶石结构,形成ZnO_x,导致催化剂表面羟基含量的增加,同时增加了Cu⁰和Cu^α+的含量,改善了H₂和CO₂的活化能力。此外,通过原位漫反射红外光谱研究了CO₂转化为甲醇的途径。     

CO2在α-U(001)表面的吸附和解离

采用广义梯度密度泛函理论研究了0.25ML覆盖度下CO₂在α-U（001）表面上的吸附和解离,得到了CO₂的稳定吸附构型和吸附能,确定了CO₂的解离过渡态和解离能垒,探讨了CO₂与表面U原子的相互作用本质.结果表明CO₂趋向以C（O）-U多键结合方式在α-U（001）面发生强化学吸附,吸附能为1.24-1.67 eV;C-O键的活化程度依赖于表面电子向CO₂发生转移的程度.CO₂与表面U原子的相互作用主要来自于U原子电子向CO₂最低空轨道（LUMO）2π_u转移,以及CO₂π_u/1π_g/3σ_u-U 6d轨道间杂化而生成新的化学键.以形成3个C-U键和6个O-U键模式在穴位1和穴位2上发生吸附的CO₂（H1-C₃O₆和H2-C₃O₆）的解离吸附能分别为3.15和3.13 eV,解离能垒分别为0.26和0.36 eV,预示着吸附CO₂分于易于解离形成CO分子和O原子.     

Ni-Co/TiO2增强CO2加氢反应性能的研究

通过浸渍-沉淀法合成负载型双金属催化剂Ni-Co/TiO₂,采用X射线衍射(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线能谱(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)和氮气吸附-脱附(BET)对其晶型、形貌、组成、表面元素价态和比表面积进行表征.在CO₂加氢反应中,Ni-Co/Ti O₂催化剂在3 h反应时间内生成84.4μmol CH₄,相较于Ni/Ti O₂催化剂,其CH₄产量提高了46.3%.二氧化碳程序升温脱附(CO₂-TPD)和氢气程序升温还原(H₂-TPR)测试结果证实,Co的引入能增强Ni-Co/Ti O₂对CO₂的吸附和活化,从而促进其加氢反应效率的提高.经过5次循环活性测试,Ni/Ti O₂的活性降低了20.5%,而Ni-Co/Ti O₂的活性仅仅降低了10.9%,这表明Co的引...     

Fe2O3晶型对Fe基催化剂的CO2加氢性能影响

以共沉淀法制备FeAl母体,采用浸渍法添加Zn、K和Cu助剂制成催化剂,利用低温N2物理吸附、XRD、H2-TPR等手段对FeAl母体和催化剂进行表征,并用固定床反应器考察它们的CO₂加氢反应性能。XRD结果表明,加入Al助剂、并采用无水乙醇洗涤沉淀能促进酌-Fe₂O₃晶相生成,其中,Al₂O₃/Fe₂O₃质量比为10%的母体具有最强的酌-Fe₂O₃衍射峰;加入Al使得母体中的a-Fe₂O₃晶粒粒径变小,引起比表面积明显增大;浸渍助剂过程没有改变上述两种效应。母体比表面积增大提高了助剂Cu的分散度,促进了催化剂还原,但酌-Fe₂O₃晶相的生成才是催化剂的CO₂加氢反应活性被提高的主要原因。     

Fe促进的Pt@CeO2催化剂用于CO2加氢制C1产品

在Pt@CeO₂核壳纳米球表面引入过渡金属助剂,探究了不同过渡金属的引入对其CO₂加氢性能的影响.研究结果表明,Fe物种的引入对加氢性能的提升效果最佳,液体C₁产率达到6.34×10^-2 mmol·g^-1_cat.·h^-1.透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、N₂吸附-脱附实验、CO₂程序升温脱附(CO₂-TPD)和H₂程序升温还原(H₂-TPR)等表征结果表明,Fe物种在Pt@CeO₂表面均匀分散,且Fe的存在降低了Pt物种的电荷密度,产生了更多的Pt²⁺物种,提高了产物中甲醇的选择性.此外,Fe的存在还促进了更多氧空位(O_v)的形成,进而促进了对CO₂的吸附及后续的加氢反应,提高了催化活性.     

化学链重整过程中LaFeO3载氧体的CH4部分氧化反应机理研究

本研究基于密度泛函理论(DFT)计算揭示了化学链重整过程中LaFeO₃载氧体的CH₄部分氧化反应机理,通过系统研究CH₄吸附活化、H₂和CO形成以及氧扩散等基元反应步骤,构建了CH₄部分氧化反应网络。研究发现,CH₄发生逐步脱氢反应形成H原子,其中,CH₃脱氢反应所需要克服的能垒(1.50 eV)最高,是CH₄逐步脱氢反应的限速步骤。载氧体表面H₂形成有两种路径,其中,H原子从O顶位迁移到Fe顶位,然后与另外O顶位的H原子成键形成H₂分子是主要途径。由于其相对较低的能垒(1.27 eV),CO的形成过程较易发生。氧扩散需要克服1.35 eV的能垒,表明氧扩散过程需要在高温下进行且扩散速率较低。通过比较各基元反应能垒,发现H₂形成是LaFeO₃载氧体CH₄部分氧化反应动力学的限速步骤,而H迁移是限制H     

氧化/还原预处理对Cu2O/AC催化甲醇氧化羰基化的影响

将醋酸铜热解制备的Cu₂O/AC(活性炭)催化剂,在氧化(O₂/N₂)和还原(H₂/N₂、CO/N₂)气氛下进行预处理。350 ℃下预处理4 h,氧化气氛中Cu₂O完全被氧化为CuO,还原气氛中Cu₂O被还原为单质铜。经CO/N₂预处理的催化剂表面Cu⁰分散性好,催化活性显著升高。在常压固定床微型反应装置上测试,在140 ℃的反应温度下,碳酸二甲酯的时空收率和选择性分别达到了261.9 mg/(g·h)和74.7%。反应后,还原气氛(H₂/N₂、CO/N₂)预处理的催化剂与Cu₂O/AC催化剂中铜物种价态组成趋于一致,催化活性亦趋于一致。关联反应前后催化剂表面铜物种的变化和催化活性的差异,可以认为Cu⁰具有较高的初始催化活性,Cu₂O活性和价态均较为稳定,CuO活性较低。     

高活性Cu-ZnO@SiO2纳米催化剂催化CO2加氢制甲醇

铜基催化剂可被广泛应用于CO₂加氢制甲醇,其催化活性高度依赖载体.本文通过St?ber法合成了SiO₂纳米微球,将其作为载体制备了Cu-Zn O@Si O₂催化剂；将该催化剂应用于CO₂加氢制甲醇,并与常规共沉淀法制备的Cu-Zn O催化剂进行了对比.通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、氢气程序升温还原(H₂-TPR)和二氧化碳程序升温脱附(CO₂-TPD)等手段对催化剂进行了表征.结果表明，Cu-Zn O@Si O₂催化剂具有更高的Cu分散性和CO₂吸附能力,Si O₂的加入提高了催化剂表面Cu⁺/Cu⁰的比例,从而影响了催化性能.研究发现,在H₂/CO₂摩尔比为3,230℃,2.0 MPa和气体体积空速为3600 m L·g     

In-Co二元金属氧化物上CO2催化加氢反应的选择性转变:催化反应的机理和构效关系

采用催化加氢的方式将CO₂转化为甲醇,既可以减少CO₂排放,又制备了化学品,该反应具有重要的研究意义.氧化铟(In₂O₃)作为CO2加氢制甲醇催化剂,由于其较高的CO₂活化能力和甲醇选择性,被科研工作者广泛研究.其中,将具有良好解离H2能力的过渡金属元素引入In₂O₃(M/In₂O₃)是有效提高催化剂性能的策略之一,然而,M/In₂O₃体系催化CO₂加氢反应机理及活性位点仍不清楚.本文引入Co制备了In-Co二元金属氧化物催化剂应用于CO2加氢制甲醇,结果表明,相较于In₂O₃,In-Co催化剂性能有很大提升,其中In1-Co₄催化剂上甲醇时空产率(9.7 mmol·g_cat^-1 h^-1)是In₂O₃(2.2 mmol·g_cat^-1 h^-1)的近5倍(反应条件:P=4.0 MPa,T=300℃,GHSV=24000 cm³ _STP g_cat^-1 h^-1,H2/CO₂=3).值得注意的是,尽管Co是金属元素的主体,In-Co催化剂中Co催化CO₂甲烷化的活性受到明显抑制.本文还通过多种技术系统研究了催化剂结构与反应选择性转变间的关系.采用电感耦合等离子体发射光谱、粉末X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱和透射电子显微镜等对催化剂结构以及表面性质进行了表征.结果表明,在H₂还原气氛诱导下,In-Co催化剂表面发生重构,形成以CoO为核,以In₂O₃为壳的核壳结构,其在高压反应后仍能保持稳定;更重要的是,该核壳结构可以显著增强In-Co催化剂吸附及活化CO₂的能力.CO₂加氢反应动力学研究表明,Co催化剂上H₂分压对CO₂加氢为零级反应,而H₂分压在In-Co上的反应级数为正数;In-Co催化剂上,CO₂分压的反应级数接近于零,表明CO₂及其衍生物在In-Co的表面吸附饱和,但在纯Co上,则不会发生这种饱和吸附.通过原位DRIFTS研究了催化反应路径和关键中间物种的吸附及反应行为,发现CO₂加氢在纯Co和In-Co上的催化机理均遵循甲酸盐路径.在该催化路径中,CO₂首先加氢为甲酸盐(*HCOO)物种,随后加氢为甲氧基(*CH₃O).*CH₃O在Co催化剂上进一步加氢生成CH₄,而*CH₃O在In-Co催化剂上则会脱附生成CH₃OH.根据表征结果,本文认为,在还原性气氛下,In-Co发生了重构并生成表面富In₂O₃的核壳状结构,显著提高了催化剂对CO₂和含碳物种的吸附能力.Co和In-Co催化剂对CO₂加氢反应选择性的差异归因于催化剂对CO₂和对*HCOO等含碳中间物种的吸附稳定性不同.CO₂及其衍生的含碳中间物种在In-Co催化剂上的吸附能力比在Co催化剂上强,形成了较合适的催化剂表面C/H比,从而使*CH₃O能够脱附为CH₃OH,而不是进一步加氢为CH₄.综上,本文研究为高活性In-Co催化剂体系在CO₂加氢反应中的催化机理及行为提供了解释,为金属-氧化铟(M-In₂O₃)催化剂体系的设计提供了参考.     

In-Co二元金属氧化物上CO2催化加氢反应的选择性转变:催化反应的机理和构效关系

采用催化加氢的方式将CO₂转化为甲醇,既可以减少CO₂排放,又制备了化学品,该反应具有重要的研究意义.氧化铟(In₂O₃)作为CO2加氢制甲醇催化剂,由于其较高的CO₂活化能力和甲醇选择性,被科研工作者广泛研究.其中,将具有良好解离H2能力的过渡金属元素引入In₂O₃(M/In₂O₃)是有效提高催化剂性能的策略之一,然而,M/In₂O₃体系催化CO₂加氢反应机理及活性位点仍不清楚.本文引入Co制备了In-Co二元金属氧化物催化剂应用于CO2加氢制甲醇,结果表明,相较于In₂O₃,In-Co催化剂性能有很大提升,其中In1-Co₄催化剂上甲醇时空产率(9.7 mmol·g_cat^-1 h^-1)是In₂O₃(2.2 mmol·g_cat^-1 h^-1)的近5倍(反应条件:P=4.0 MPa,T=300℃,GHSV=24000 cm³ _STP g_cat^-1 h^-1,H2/CO₂=3).值得注意的是,尽管Co是金属元素的主体,In-Co催化剂中Co催化CO₂甲烷化的活性受到明显抑制.本文还通过多种技术系统研究了催化剂结构与反应选择性转变间的关系.采用电感耦合等离子体发射光谱、粉末X射线衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱和透射电子显微镜等对催化剂结构以及表面性质进行了表征.结果表明,在H₂还原气氛诱导下,In-Co催化剂表面发生重构,形成以CoO为核,以In₂O₃为壳的核壳结构,其在高压反应后仍能保持稳定;更重要的是,该核壳结构可以显著增强In-Co催化剂吸附及活化CO₂的能力.CO₂加氢反应动力学研究表明,Co催化剂上H₂分压对CO₂加氢为零级反应,而H₂分压在In-Co上的反应级数为正数;In-Co催化剂上,CO₂分压的反应级数接近于零,表明CO₂及其衍生物在In-Co的表面吸附饱和,但在纯Co上,则不会发生这种饱和吸附.通过原位DRIFTS研究了催化反应路径和关键中间物种的吸附及反应行为,发现CO₂加氢在纯Co和In-Co上的催化机理均遵循甲酸盐路径.在该催化路径中,CO₂首先加氢为甲酸盐(*HCOO)物种,随后加氢为甲氧基(*CH₃O).*CH₃O在Co催化剂上进一步加氢生成CH₄,而*CH₃O在In-Co催化剂上则会脱附生成CH₃OH.根据表征结果,本文认为,在还原性气氛下,In-Co发生了重构并生成表面富In₂O₃的核壳状结构,显著提高了催化剂对CO₂和含碳物种的吸附能力.Co和In-Co催化剂对CO₂加氢反应选择性的差异归因于催化剂对CO₂和对*HCOO等含碳中间物种的吸附稳定性不同.CO₂及其衍生的含碳中间物种在In-Co催化剂上的吸附能力比在Co催化剂上强,形成了较合适的催化剂表面C/H比,从而使*CH₃O能够脱附为CH₃OH,而不是进一步加氢为CH₄.综上,本文研究为高活性In-Co催化剂体系在CO₂加氢反应中的催化机理及行为提供了解释,为金属-氧化铟(M-In₂O₃)催化剂体系的设计提供了参考.     

水煤气变换反应作用下的CO和CO2混合物加氢转化制烃和醇——热力学平衡研究(英文)

受水煤气变换反应(或其逆反应)的干预，CO(或CO₂)加氢反应制烃类或醇类化合物经常会遭遇较高的CO₂(或CO)选择性，而目标产物烃和醇的选择性往往较低，这使得对相关反应过程的评估显得非常混乱。为此，本工作对水煤气变换反应作用下的CO、CO₂及其混合物的加氢转化制烃(以乙烯为例)和醇(以甲醇为例)反应进行了详细的热力学研究。结果表明，对于CO(或CO₂)加氢反应，水煤气变换(或逆水煤气变换)反应作为连接CO和CO₂的连通器，虽然会给CO(或CO₂)的平衡转化率带来很大的改变并生成大量的CO₂(或CO)，但其对目标醇和烃产物的碳基平衡收率影响相对较小。CO加氢反应的烃醇产物的碳基平衡收率比CO₂加氢反应的高，而CO和CO₂混合物加氢的烃醇产物的总碳基平衡收率位于两者之间。对于CO和CO₂混合物加氢，尽管CO或CO₂的平衡转化率随原料组成的不同有较大幅...     

Pt-C3N4/BiOCl S型异质结应用于光催化CO2还原的理论计算研究(英文)

光催化CO₂还原制备可再生的碳氢燃料为缓解温室效应、解决能源短缺问题提供了一个可行的办法。然而,单一组分光催化剂的CO₂还原活性非常低。一是因为光生载流子的快速复合导致光子效率很低。二是因为CO₂的活化需要较高的能垒。对此,研究人员作出了许多改进以提高CO₂还原性能。例如,发展S型异质结可以增强载流子的分离和光催化剂的氧化还原能力,引入金属单原子助催化剂可以优化反应热力学。因此,协同利用S型异质结和金属单原子修饰将能同时促进载流子的转移和CO₂还原反应过程。本文构建了由单原子Pt负载的g-C₃N₄和BiOCl组成的Pt-C₃N₄/BiOCl异质结模型。用密度泛函理论计算研究了其光催化性能,包括几何结构和电子性质的探索、CO₂转化过程的模拟。差分电荷密度结果表明g-C₃N₄中的电子转移至BiOCl,这是由于g-C₃     

无碱CO2加氢高效制甲酸Pd/g-C3N4催化剂的单原子和纳米簇的协同作用(英文)

气候变化威胁人类的生存.化石燃料的过度使用导致CO₂持续排放是引起全球变暖和气候变化的主要因素,须尽快减少CO₂排放.捕获CO₂并将其转化为高附加值的燃料和化学品从而循环利用是减少CO₂净排放的有效措施.其中, CO₂催化加氢制甲酸(HCOOH)是碳捕获与利用(CCU)的有效途径之一,其产物HCOOH可用于防腐剂、牲畜饲料抗菌剂和食品添加剂,也可作为氢载体和直接甲酸燃料电池的燃料.目前,工业上生产HCOOH的工艺包括两个步骤:甲醇和CO在强碱条件下反应生成甲酸甲酯(HCO₂CH₃),随后水解为HCOOH.该工艺利用来自化石燃料的两种原料,排放出大量CO₂,同时在水解步骤中使用了过量的酸性水,因此对生态环境产生一定的危害.近年来,以CO₂为可再生原料合成HCOOH被广泛研究,人们探索了电化学、光化学、生物和热化学反应等多种途径将CO₂还原为HCOOH,以期实现CO     

第一性原理研究C在Fe(111)表面和次表面的积炭机理

使用密度泛函方法对C原子在Fe(111)表面吸附团聚和次表层的吸附扩散进行了研究。在炭覆盖度θ_C <1 ML时,C主要以孤立的原子态存在并导致表面重构;1 ML≤θ_C ≤2 ML,"mC₂+nC"为主要的吸附形式;θ_C≥2 ML时,复杂的吸附形态比如碳链和岛状碳团簇开始生成。这些复杂岛状碳团簇是Fe(111)表面石墨沉积或碳纳米管生长的成核中心。在次表层,C原子在八面体位稳定存在。C在表面的迁移能垒为0.45 eV,由表面迁移到次表面的的能垒为0.73 eV。虽然C₂团簇的生成是热力学有利的,但是C向次表层的迁移动力学上占优。     

基于密度泛函理论的CO2氧化含氮焦炭的机理研究

本研究基于密度泛函理论,选取简化的含吡咯氮（N-5）或吡啶氮（N-6）焦炭模型,在分子水平上对CO₂氧化含氮焦炭的异相反应机理进行研究。结构优化采用B3LYP-D3/6-31G（d）方法,单点能计算采用B3LYP-D3/def2-TZVP方法。计算结果表明,CO₂氧化含氮焦炭过程分为CO₂吸附、CO脱附和NO脱附三个阶段。CO₂异相氧化含吡咯氮焦炭的反应中,CO₂分子倾向于以C-O-down模式（N-O结合、C-C结合）吸附形成含氮和氧的五元杂环结构。然后五元环中原CO₂分子的C-O键断裂形成表面羰基和表面氮氧结构,分别解吸附出CO和NO。该反应吸热401.2 kJ/mol,决速步能垒为197.6 kJ/mol。CO₂异相氧化含吡啶氮焦炭的反应中,CO₂分子以C-O-down和C-C结合、C-O结合模式吸附后倾向于先形成含氮和氧的六元杂环,再发生CO和NO分子的脱附。该反应吸收598.6 kJ/mol的热量,决速...