甲酸在Au（997）台阶表面的氧化反应

金催化是纳米催化的代表性体系之一,但对金催化作用的理解还存在争议,特别是金颗粒尺寸对其催化作用的影响.金颗粒尺寸减小导致的表面结构主要变化之一是表面配位不饱和金原子密度的增加,因此研究金原子配位结构对其催化作用的影响对于理解金催化作用尺寸依赖性具有重要意义.具有不同配位结构的金颗粒表面可以利用金台阶单晶表面来模拟.我们研究组以同时具有Au(111)平台和Au(111)台阶的Au(997)台阶表面为模型表面,发现Au(111)台阶原子在CO氧化、NO氧化和NO分解反应中表现出与Au(111)平台原子不同的催化性能.负载型Au颗粒催化甲酸氧化反应是重要的Au催化反应之一.本文利用程序升温脱附/反应谱(TDS/TPRS)和X射线光电子能谱(XPS)研究了甲酸在清洁的和原子氧覆盖的Au(997)表面的吸附和氧化反应,观察到Au(111)台阶原子和Au(111)平台原子不同的催化甲酸根氧化反应行为.与甲酸根强相互作用的Au(111)台阶原子表现出比与甲酸根弱相互作用的Au(111)平台原子更高的催化甲酸根与原子氧发生氧化反应的反应活化能.在清洁Au(997)表面,甲酸分子发生可逆的分子吸附和脱附.甲酸分子在Au(111)台阶原子的吸附强于在Au(111)平台原子的吸附. TDS结果表明,吸附在Au(111)台阶原子的甲酸分子的脱附温度在190 K,吸附在Au(111)平台原子的甲酸分子的
　　脱附温度在170 K. XPS结果表明,分子吸附甲酸的C 1s和O 1s结合能分别位于289.1和532.8 eV.利用多层NO2的分解反应在Au(997)表面控制制备具有不同原子氧吸附位和覆盖度的原子氧覆盖Au(997)表面,包括氧原子吸附在(111)台阶位的0.02 ML-O(a)/Au(997)、氧原子同时吸附在(111)台阶位和(111)平台位的0.12 ML-O(a)/Au(997)、氧原子和氧岛吸附在(111)平台位和氧原子吸附在(111)台阶位的0.26 ML-O(a)/Au(997). TPRS和XPS结果表明,甲酸分子在105 K与Au(997)表面原子氧物种反应生成甲酸根和羟基物种,但甲酸根物种的进一步氧化反应依赖于Au原子配位结构和各种表面物种的相对覆盖度.在0.02 ML-O(a)/Au(997)表面暴露0.5 L甲酸时, Au(111)台阶位氧原子完全反应,甲酸过量.表面物种是Au(111)台阶位吸附的甲酸根、羟基和甲酸分子.在加热过程中,甲酸分子与羟基在181 K反应生成甲酸根和气相水分子(HCOOH(a)+ OH(a)= H2O + HCOO(a)),甲酸根在340 K发生歧化反应生成气相HCOOH和CO2分子(2HCOO(a)= CO2+ HCOOH).在0.12 ML-O(a)/Au(997)和0.26 ML-O(a)/Au(997)表面暴露0.5 L甲酸时,甲酸分子完全反应,原子氧过量.表面物种是Au(111)平台位和Au(111)台阶位吸附的甲酸根、羟基和原子氧.在加热过程中, Au(111)平台位和Au(111)台阶位的甲酸根分别在309和340 K同时发生氧化反应(HCOO(a)+ O(a)= H2O + CO2)和歧化反应(2HCOO(a)= CO2+ HCOOH)生成气相CO2, H2O和HCOOH分子.在0.26 ML-O(a)/Au(997)表面暴露10 L甲酸时,甲酸分子和原子氧均未完全消耗.表面物种是Au(111)平台位和Au(111)台阶位吸附的甲酸根、羟基、甲酸分子和原子氧.在加热过程中,除了上述甲酸根的氧化反应和歧化反应,还发生171 K的甲酸分子与羟基的反应(HCOOH(a)+ OH(a)= H2O + HCOO(a))和216 K的羟基并和反应(OH(a)+ OH(a)= H2O + O(a)).     

NO分子在金表面吸附的理论研究

气体分子在过渡族金属表面吸附是异相催化过程中的一个重要步骤.研究其在金属表面的吸附特性是了解其催化性能的基础,多年来一直是表面科学领域的研究热点.理论研究在解释吸附机理、实验现象以及证实实验结论的可靠性方面发挥着越来越重要的作用.本文使用密度泛函理论(DFT)研究了NO分子在中性及带正、负电荷的Au(111),Au(100),Au(310)和Au/Au(111)表面的吸附行为.研究结果表明,NO倾斜地吸附在金表面.在这种吸附构型中,Au原子的dz2轨道和NO分子的2π*轨道对称性匹配,并达到最大重叠.中性及带正、负电荷的Au(111),Au(100),Au(310)和Au/Au(111)表面不同吸附位对NO的反应活性不同,NO易吸附于各个金表面的顶位.计算结果显示,NO分子在Au(111)面几乎不吸附,而在Au/Au(111)的吸附能高达0.89eV.对表面金原子d态电子分波态密度分析表明,金表面对NO分子的吸附活性随着金原子配位数的减少而增强,这是由于低配位数的金原子的d态电子更靠近费米能级.当金表面增加或减少一个电子时,金表面对NO的吸附能有明显变化.正电荷的金表面对NO吸附的活性比中性的表面活性高,而带...     

三种Au(111)催化水煤气变换反应机理的比较

采用密度泛函理论对三种水煤气变换反应(WGSR)机理(氧化还原机理、羧基机理、甲酸基的生成机理)在Au(111)面上的反应历程进行详细讨论.通过对表面吸附物种(H2O、CO、OH、O、H、CO2、COOH、HCOO)的吸附行为进行研究,得到最佳活性吸附中心.对三种机理中的14个基元反应的活化能进行分析,得出WGSR在Au(111)上按照羧基机理和氧化还原机理进行的可能性较大,按照甲酸基的生成机理进行的可能性较小.相比较羧基机理和氧化还原机理,反应更有可能按照羧基机理进行,最佳反应途径为H2O-H→OH+CO→COOH+OH→CO2.     

Pd/Au(100)表面上乙烯气相氧化法合成乙酸乙烯酯催化活性的密度泛函理论研究

采用密度泛函理论方法系统地研究了Pd/Au(100)表面上乙烯气相氧化法合成乙酸乙烯酯的催化活性.对关键反应物种在该表面的吸附、共吸附性质及耦合基元反应进行了计算和讨论.乙烯在Pd/Au(100)表面上存在π-,2σ-两种稳定吸附构型,为弱化学吸附;乙酸根物种存在Pd-Au与Pd-Pd两种二位啮合(bi-dentate)构型,为强化学吸附.Pd/Au(100)表面的吸附作用使两个关键反应物种分子轨道能量靠近.共吸附构型中最高占据和最低未占据分子轨道的能级差(HOMO-LUMO-gap)随表面相邻Pd原子数目的增多而增大,表明由HOMO向LUMO分子轨道发生电子转移的能力变弱.耦合基元反应过渡态能垒的分析结果与HOMO-LUMO-gap定性分析结果一致,说明连续相邻的表面Pd原子不利于反应的进行.     

DFT法研究HCOOH在Pd/WC(0001)上的分解机理（英文）

作为便携式电子设备的动力源,直接甲酸燃料电池(DFAFC)具有燃料跨界范围小、电动势大、甲酸无毒、低温下功率密度大等优点,因而引起了人们的极大兴趣.DFAFC商业化的主要挑战之一是阳极电催化剂材料的高成本和低CO耐受性.阳极通常需要高负载的贵金属电催化剂(Pt或Pd)氧化甲酸(HCOOH)以获得所需的电能.完全电氧化甲酸在Pt和Pd表面上会产生强吸附的CO,从而降低了Pt或Pd催化剂的活性.Pt和Pd储量少且价格昂贵,减少Pt和Pd含量且保持催化性能的燃料电池催化剂一直是研究者的奋斗目标.本文用周期性密度泛函理论(DFT)系统地研究了WC负载的单分子层Pd(Pd/WC(0001))催化剂对甲酸的分解机理,这可为所需的反应路径设计、筛选催化剂提供指导.Trans-HCOOH通过C-H,O-H,C-O键的活化发生分解.关于吸附,确定了可能反应中间体的最稳定吸附构型.trans-HCOOH,HCOO,mHCOO,cis-COOH,trans-COOH,CO,H2O,OH和H的吸附过程是化学吸附,而cis-HCOOH和CO2与Pd/WC(0001)表面的相互作用较弱,是物理吸附.此外,提出了trans-HCOOH分解的不同途径来探索分解机理.trans-HCOOH中O-H,C-H和C-O键的活化能垒分别为0.61,0.77和1.05 eV,O-H键断裂的能垒最小,则trans-HCOOH优先通过O-H键断裂生成HCOO.双齿HCOO是HCOOH分解的主要中间体,它可以转变为单齿HCOO,这条路线生成CO2的能垒比双齿HCOO的低0.04 eV.CO2是HCOO主要解离产物,这一步是总反应的决速步骤.对于cis-COOH和trans-COOH,CO是其主要解离产物.此外,trans-HCOOH也能直接生成CO,但克服的能垒较大.在Pd/WC(0001)表面上分解trans-HCOOH的最有利途径是HCOOH→HCOO→CO2,其中HCOO脱氢形成CO2的步骤是速率决定步骤.本文提供了HCOOH在Pd/WC(0001)表面上分解的活性中间体、能垒和机理的推测,CO形成主要是通过cis-COOH、trans-COOH及HCO的分解,CO2的形成主要是通过HCOO的分解,CO2占主导.该结论与Pd(111)面上甲酸分解结果一致,说明WC作为Pd载体没有改变Pd对甲酸的催化性能,但降低了Pd的使用量.综上,本文阐明了WC负载单分子层Pd催化剂上甲酸催化分解机理,得出甲酸分解的最佳反应路径,为直接甲酸燃料电池设计低贵金属含量、高活性的负载型Pd催化剂提供了理论指导;可用于预测不同载体负载Pd催化剂的性能,大大减少实验成本,以验证提出的实验假设.     

纳米金催化一氧化碳氧化反应的理论研究（英文）

近年来,纳米金催化剂独特的催化性质,特别是其优异的低温催化氧化活性,引起了人们极大的研究热情.除低温选择氧化外,在精细化学品合成、大气污染物消除、氢能的转换和利用等领域也开发出了一系列有广泛应用前景的金催化反应.此外,体相金的化学惰性和纳米金的超高活性之间差异的"鸿沟"也引起了理论工作者浓厚兴趣,试图从原理上理解体相金和纳米金活性差异的根源.CO催化氧化是最具有代表性的研究金催化活性的化学反应,本文主要综述了近十多年来金催化CO氧化反应理论计算方面的研究工作.一般认为,CO在纳米金表面的吸附是CO氧化反应的初始步骤.密度泛函理论研究表明,CO在金表面的吸附强度主要与被吸附金原子的配位数有关:金配位数越低,CO的吸附能越强,部分研究结果表明两者之间存在近似的线性关系.我们研究发现,CO吸附强度也与被吸附金周围配位金原子的相对位置有关,其中位于正下方的配位金原子加强CO吸附,而位于侧位的配位金原子则弱化CO吸附,这显然削弱了CO吸附与金配位数线性关系的可靠性.理论研究表明,在纯金表面上O_2吸附强度一般很弱,只有在一些特殊结构的金团簇上才有较强的吸附,但在Au/Ti O_2界面及CeO_2表面上O_2吸附较强.金表面原子氧的吸附和金的表面结构有关.我们发现,原子氧倾向于在金的表面形成一种线性的O–Au–O结构以增加其稳定性.当金表面的氧覆盖度增大时,会形成一种金氧化物薄膜结构,其结构依赖于氧的化学势和金的表面结构.纳米金催化CO氧化反应机理可能因体系、载体等的差异而不同.大部分理论计算结果表明,在纯金表面上O_2很难直接解离形成原子氧,因此反应机理可能是吸附的CO先与O_2反应形成了一种CO–O_2中间体,然后解离形成CO_2.在Au/TiO_2和Au/Ce O_2催化剂上CO催化氧化机理争议很大,均有计算结果支持LH机理和M–v K机理.另外,根据实验上观察到了负载型纳米金能直接活化分子氧的结果,理论上也提出了分子氧先解离为原子氧再与CO反应的氧解离机理.针对如何解离分子氧问题,人们分别提出了低配位金模型、正方形金结构模型、Ti5c模型及Au/Ti5c模型等.我们也提出了一种独特的双直线O–Au–O模型来理解Au/TiO_2或Au/CeO_2界面解离活化分子氧.理论计算结果表明,低配位的金,金和载体之间的电荷转移,以及金所表现出的强相对论效应对于纳米金的活性影响很大.需要特别指出的是,金的强相对论效应有助于理解金表面的CO吸附与金配位的关系、金表面原子氧的吸附特性、金氧化物薄膜的结构和分子氧的活化等过程.我们认为,金的强相对论作用导致了体相金的化学惰性以及纳米金的活性,因此相对论效应的深入研究将有助于理解金催化CO氧化反应机理,从而有助于深层次理解纳米金催化活性来源.     

纳米金催化一氧化碳氧化反应的理论研究

近年来,纳米金催化剂独特的催化性质,特别是其优异的低温催化氧化活性,引起了人们极大的研究热情.除低温选择氧化外,在精细化学品合成、大气污染物消除、氢能的转换和利用等领域也开发出了一系列有广泛应用前景的金催化反应.此外,体相金的化学惰性和纳米金的超高活性之间差异的“鸿沟”也引起了理论工作者浓厚兴趣,试图从原理上理解体相金和纳米金活性差异的根源. CO催化氧化是最具有代表性的研究金催化活性的化学反应,本文主要综述了近十多年来金催化 CO氧化反应理论计算方面的研究工作.一般认为, CO在纳米金表面的吸附是 CO氧化反应的初始步骤.密度泛函理论研究表明, CO在金表面的吸附强度主要与被吸附金原子的配位数有关：金配位数越低, CO的吸附能越强,部分研究结果表明两者之间存在近似的线性关系.我们研究发现, CO吸附强度也与被吸附金周围配位金原子的相对位置有关,其中位于正下方的配位金原子加强 CO吸附,而位于侧位的配位金原子则弱化 CO吸附,这显然削弱了 CO吸附与金配位数线性关系的可靠性.理论研究表明,在纯金表
　　面上 O2吸附强度一般很弱,只有在一些特殊结构的金团簇上才有较强的吸附,但在 Au/TiO2界面及 CeO2表面上 O2吸附较强.金表面原子氧的吸附和金的表面结构有关.我们发现,原子氧倾向于在金的表面形成一种线性的 O–Au–O结构以增加其稳定性.当金表面的氧覆盖度增大时,会形成一种金氧化物薄膜结构,其结构依赖于氧的化学势和金的表面结构.纳米金催化 CO氧化反应机理可能因体系、载体等的差异而不同.大部分理论计算结果表明,在纯金表面上 O2很难直接解离形成原子氧,因此反应机理可能是吸附的 CO先与 O2反应形成了一种 CO–O2中间体,然后解离形成 CO2.在 Au/TiO2和 Au/CeO2催化剂上 CO催化氧化机理争议很大,均有计算结果支持 LH机理和 M–vK机理.另外,根据实验上观察到了负载型纳米金能直接活化分子氧的结果,理论上也提出了分子氧先解离为原子氧再与 CO反应的氧解离机理.针对如何解离分子氧问题,人们分别提出了低配位金模型、正方形金结构模型、Ti5c模型及 Au/Ti5c模型等.我们也提出了一种独特的双直线 O–Au–O模型来理解 Au/TiO2或 Au/CeO2界面解离活化分子氧.理论计算结果表明,低配位的金,金和载体之间的电荷转移,以及金所表现出的强相对论效应对于纳米金的活性影响很大.需要特别指出的是,金的强相对论效应有助于理解金表面的 CO吸附与金配位的关系、金表面原子氧的吸附特性、金氧化物薄膜的结构和分子氧的活化等过程.我们认为,金的强相对论作用导致了体相金的化学惰性以及纳米金的活性,因此相对论效应的深入研究将有助于理解金催化 CO氧化反应机理,从而有助于深层次理解纳米金催化活性来源.     

甲酸在轻微氧化的Nb(110)表面吸附的HREELS研究

用高分辨电子能量损失谱(HREELS)研究了甲酸在轻微氧化的Nb(110)表面(O/Nb原子比=0.2)上的吸附与分解,提出了相应的表面反应模式.140K时,低暴露量的甲酸在该表面解离生成甲酸根(HCOO),生成的甲酸根以单齿形式键合在Nb上,同时也有少量甲酸分解生成吸附态的CO;高暴露量时则生成多层物理吸附的固体甲酸.升温至～190K,物理吸附的甲酸脱附,此时的表面为单齿键合的HCOO和CO所覆盖.温度升至250～300K时,HCOO的吸附态由单齿式转变成桥式,同时表面吸附的CO分子消失.升温过程的HREELS表明HCOO的分解导致了Nb的氧化.暴露量较高时表面的甲酸根比较稳定以致于在540K的高温时仍不完全分解.     

A density functional theory study of the noble metal adsorption on the CeO2(111) surface

利用密度泛函理论系统研究了贵金属原子(Au、Pd、Pt和Rh)在CeO2( 111)表面的吸附行为.结果表明,Au吸附在氧顶位最稳定,Pd、Pt倾向吸附于氧桥位,而Rh在洞位最稳定.当金属原子吸附在氧顶位时,吸附强度依次为Pt ＞Rh＞ Pd＞Au.Pd、Pt与Rh吸附后在Ce 4 f、O2p电子峰间出现掺杂峰;Au未出现掺杂电子峰,其d电子峰与表面O2p峰在-4 -1 eV重叠.态密度分析表明,Au吸附在氧顶位、Pd与Pt吸附在桥位、Rh吸附在洞位时,金属与CeO2(111)表面氧原子作用较强,这与Bader电荷分析结果相一致.     

HCOO在Cu(110)、Ag(110)和Au(110)表面的吸附

采用密度泛函理论(DFT)以及广义梯度近似方法(GGA)计算了甲酸根(HCOO)在Cu(110)、Ag(110)和Au(110)表面的吸附. 计算结果表明, 短桥位是最稳定的吸附位置, 计算的几何参数与以前的实验和计算结果吻合. 吸附热顺序为Cu(110)(-116 kJ·mol-1)>Ag(110)(-57 kJ·mol-1)>Au(110)(-27 kJ·mol-1), 与实验上甲酸根的分解温度相一致. 电子态密度分析表明, 吸附热顺序可以用吸附分子与金属d-带之间的Pauli 排斥来关联, 即排斥作用越大, 吸附越弱. 另外还从计算的吸附热数据以及实验上HCOO的分解温度估算了反应CO2+1/2H2→HCOO的活化能, 其大小顺序为Au(110)>Ag(110)>Cu(110).     

CO在CeO2(111)表面的吸附与氧化

采用密度泛函理论计算了CO在CeO2(111)表面的吸附与氧化反应行为. 结果表明, O2在洁净的CeO2(111)表面为弱物理吸附, 而在氧空位表面是强化学吸附, 且O2分子活化程度较大, O—O键长为0.143 nm. CO在CeO2(111)表面吸附行为的研究表明, CO在洁净表面及氧空位表面上为物理吸附, 吸附能均小于0.42 eV; 当表面氧空位吸附O2后, CO可吸附生成二齿碳酸盐中间体或直接生成CO2, 与原位红外光谱结果相一致. 表面碳酸盐物种脱附生成CO2的能垒仅为0.28 eV. 计算结果表明, 当CeO2表面存在氧空位时, Hubbard参数U对CO吸附能有一定的影响. CeO2载体在氧化反应中可能的催化作用为, 在氧气氛下, CeO2表面氧空位吸附O2分子, 形成活性氧物种, 参与CO催化氧化反应.     

NiO催化甲酸分解机理的密度泛函研究

 在B3LYP/6-311G(d)水平上研究了NiO催化的HCOOH→CO+H2O和HCOOH→CO2+H2两个反应的单态势能曲线. 结果表明,在NiO上甲酸容易解离吸附形成甲酸盐HONiOCOH,甲酸盐的分解是上述两个反应的速率决定步骤,这两个反应的活化能大致相当. 在脱水反应中,HCOOH和NiO之间存在着氧交换,但脱氢反应中不存在氧交换. 甲酸盐发生脱氢反应还是脱水反应取决于甲酸盐是用其羟基中的H还是用O去进攻甲酸根中的H原子.     

单晶Au表面和Au/TiO2（110）模型催化剂表面CO氧化反应机理和活性位

在分子尺度上介绍了Au/TiO2(110)模型催化剂表面和单晶Au表面CO氧化反应机理和活性位、以及H2O的作用.在低温(<320 K), H2O起着促进CO氧化的作用, CO氧化的活性位位于金纳米颗粒与TiO2载体界面(Auδ+–Oδ––Ti)的周边. O2和H2O在金纳米颗粒与TiO2载体界面边缘处反应形成OOH,而形成的OOH使O–O键活化,随后OOH与CO反应生成CO2.300 K时CO2的形成速率受限于O2压力与该反应机理相印证.相反,在高温(>320 K)下,因暴露于CO中而导致催化剂表面重组,在表面形成低配位金原子.低配位的金原子吸附O2,随后O2解离,并在金属金表面氧化CO.     

C1/Ag(111)体系研究 Ⅳ.氯吸附对甲醇吸附氧化的影响

运用HREELS技术对甲醇在预吸附氯的Ag(111)表面上的吸附氧化行为进行了较细致的研究.结果证明Cl对甲醇氧化的影响缘于它在Ag(111)上的吸附所引起的表面结构的改变进而改变表面氧吸附物种,从而使得甲醇氧化的中间产物发生变化.实验结果说明甲醇在Ag(111)和低暴露量氯吸附的Ag(111)表面上的氧化行为是相似的,检测到了中间产物Ⅰ和Ⅲ;在高暴露量氯吸附的Ag(111)上甲醇氧化时则产生中间产物Ⅰ、Ⅳ和甲醛物种.对上述不同的甲醇氧化行为作了分析,并指出了以前人们在考察甲醇氧化机理时只考虑原子氧作用的片面性.     

气相原子氢与Pt(111)表面的相互作用: 体相氢物种的直接证据

在超高真空条件下利用高温钨丝裂解氢分子制备气相氢原子, 并研究了气相氢原子与Pt(111)表面的相互作用. 热脱附谱(TDS)结果表明气相分子氢在Pt(111)表面吸附生成表面吸附氢物种; 而气相原子氢在Pt(111)表面吸附不仅生成表面吸附氢物种, 而且能够生成体相氢物种. Pt(111)表面体相氢物种的热稳定性低于表面氢物种, 表明体相氢物种具有更高的能量. 这种弱吸附体相氢物种有可能是Pt表面催化加氢反应的活性氢物种.     

单晶Au表面和Au/TiO_2(110)模型催化剂表面CO氧化反应机理和活性位（英文）

在分子尺度上介绍了Au/TiO_2(110)模型催化剂表面和单晶Au表面CO氧化反应机理和活性位、以及H_2O的作用.在低温(320 K),H_2O起着促进CO氧化的作用,CO氧化的活性位位于金纳米颗粒与TiO_2载体界面(Au~(δ+)O~(δ–)––Ti)的周边.O_2和H_2O在金纳米颗粒与Ti O_2载体界面边缘处反应形成OOH,而形成的OOH使O–O键活化,随后OOH与CO反应生成CO_2.300K时CO_2的形成速率受限于O_2压力与该反应机理相印证.相反,在高温(320 K)下,因暴露于CO中而导致催化剂表面重组,在表面形成低配位金原子.低配位的金原子吸附O_2,随后O_2解离,并在金属金表面氧化CO.     

贵金属原子在CeO2(111)表面吸附的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论系统研究了贵金属原子(Au、Pd、Pt和Rh)在CeO₂(111)表面的吸附行为。结果表明,Au吸附在氧顶位最稳定,Pd、Pt倾向吸附于氧桥位,而Rh在洞位最稳定。当金属原子吸附在氧顶位时,吸附强度依次为Pt > Rh > Pd > Au。Pd、Pt与Rh吸附后在Ce 4f、O 2p电子峰间出现掺杂峰;Au未出现掺杂电子峰,其d电子峰与表面O 2p峰在-4～-1 eV重叠。态密度分析表明,Au吸附在氧顶位、Pd与Pt吸附在桥位、Rh吸附在洞位时,金属与CeO₂(111)表面氧原子作用较强,这与Bader电荷分析结果相一致。     

Au(111)表面上乙醇选择性氧化反应机理的密度泛函理论研究(英文)

采用密度泛函理论研究了吸附有O原子的Au(111)表面上乙醇选择性氧化的反应机理.反应结果表明,除O原子和中间产物二齿醋酸根(CH3CHOO)外,其他中间产物在Au(111)表面扩散能垒均较低,不会对反应速控步骤的确定造成影响.乙醇羟基氧化脱氢为反应的第一步骤,当氧化剂为吸附态的O原子或者为OH基时,反应活化能分别为0.20和0.17eV.氧化产物乙氧基(CH3CH2O)进一步氧化脱氢生成乙醛则需要表面吸附的O原子或另一表面吸附的OH基的参与,所需活化能为0.29或0.27eV.同时,乙醛易与表面吸附的乙氧基反应生成乙氧基半缩醛(CH3CHOOC2H5),其可进一步与O原子作用,脱氢形成乙酸乙酯.此外,在乙醛深度氧化成酸的过程中需要克服较高的反应能垒,因而在表面反应温度较低时无法进行,这与实验结果相符.     

甲烷在清洁 Pd(111) 及氧改性的 Pd(111) 表面解离的密度泛函理论研究

 采用广义梯度近似 (GGA) 的密度泛函理论 (DFT) 并结合平板模型, 研究了 CH4 在清洁 Pd(111) 及 O 改性的 Pd(111) 表面发生 C朒 键断裂的反应历程. 优化了裂解过程中反应物、过渡态和产物的几何构型, 获得了反应路径上各物种的吸附能及反应的活化能. 结果表明, CH4 采用一个 H 原子指向表面的构型在 Pd(111) 表面的顶位吸附, CH3 的最稳定的吸附位置为顶位, OH, O 和 H 的最稳定吸附位置均为面心立方. CH4 在清洁 Pd(111) 表面裂解的活化能为 0.97 eV, 低于它在 O 原子改性 (O 没有参与反应) 的 Pd(111) 表面的活化能 1.42 eV, 说明表面氧原子抑制了 CH4 中 C朒 键的断裂. 当亚表面 O 原子和表面 O 原子 (O 参与反应) 共同存在时, C朒 键断裂的活化能为 0.72 eV, 低于只有表层氧存在时的活化能 (1.43 eV), 说明亚表面的 O 原子对 CH4 分子的活化具有促进作用. CH4 在 O 原子改性的 Pd(111) 表面裂解生成 CH3 和 H, 以及生成 CH3 和 OH 的反应活化能分别为 1.42 和 1.43 eV, 说明 CH4 在 O 原子改性的 Pd(111) 表面发生这两种反应的难易程度相当.     

氮掺杂石墨烯负载单原子Zr催化CO2加氢的密度泛函理论研究

基于密度泛函理论计算,研究了H2和CO2在氮掺杂石墨烯负载单原子Zr催化剂(Zr Nx-Gr)上的吸附和CO2催化加氢反应. H2和CO2在Zr N3-Gr上单独吸附的吸附能分别为-0.49和-2.17 e V,在H2和CO2共吸附状态下,吸附能为-2.24 e V,均高于在Zr N4-Gr表面的吸附能,表明Zr N3-Gr表面更利于CO2加氢反应的发生.在Zr N3-Gr表面, CO2在共吸附后保持了其单独吸附时的特性,削弱了H2分子的吸附. CO2在Zr Nx-Gr表面催化加氢反应起始于H2和CO2的共吸附构型,沿反式HCOOH路径形成甲酸盐(HCOO*)中间体,然后HCOO*基团吸附H原子形成反式甲酸,在Zr N3-Gr和Zr N4-Gr表面该路径的反应能垒分别为1.85和2.48 e V.另一路径为产生CO与H2O的反应,在Zr N3-Gr和Zr N4-Gr表面的反应能垒分别为1.86和1.73 e V,表明Zr N3-Gr更利于CO2加氢生成甲酸反应的发生,而Zr N4-Gr表面更利于CO的产生.