Ag,Zn,Pd掺杂对铜基催化剂草酸二甲酯选择性加氢反应的影响

采用密度泛函理论方法, 构建了Ag, Zn, Pd原子掺杂的Cu(111)和Cu₂O(111)活性晶面, 探讨了不同金属掺杂对Cu(111)和Cu₂O(111)催化剂的草酸二甲酯(DMO)加氢反应活性和选择性的影响. 研究结果显示, 掺杂Zn可有效阻止乙醇酸甲酯(MG)进一步加氢, 提高MG的选择性, Ag助剂可以有效提高加氢活性; 而Pd助剂的添加使MG的生成能垒增高, 降低了MG的选择性. Ag-Cu(111)表面具有适宜的d带中心, 生成CH₃OOCCH₂OH的活性最高. 在Ag, Zn, Pd原子掺杂的Cu₂O(111)表面, Ag-Cu₂O(111)能带带隙小、 价带强度高, 在DMO加氢反应中具有最佳的催化活性. 基于上述结果, 提出铜基催化剂结构调变和性能调控的理论方法, 为高效催化剂的设计提供可靠的理论指导.     

CO2在金属表面活化的UBI-QEP方法研究

应用UBI-QEP方法估算了金属表面上形成的活化吸附态CO₂^-在Cu(111),Pd(111),Fe(111)和Ni(111)表面上的吸附热,计算了各种相关反应的活化能垒.结果表明,CO₂^-在4种过渡金属表面的相对稳定性的顺序为Fe>Ni>Cu>Pd;在Fe和Ni表面上CO₂^-较易生成,且容易进一步发生解离反应,在Fe表面会解离成C和O吸附原子,而在Ni表面上解离的最终产物为CO和O;在Cu表面上,CO₂^-虽较难形成,但其加氢反应的活化能比解离反应低,因此加氢反应是其进一步活化的有效模式;在Pd表面上,CO₂^-吸附态在能量上很不稳定,所以CO₂在Pd表面上不容易活化.     

CO和CH3O在Cu2O(111)表面吸附特性及共吸附的理论研究

基于密度泛函理论, 采用广义梯度近似方法结合周期平板模型, 对Cu₂O(111)非极性表面上CO和CH₃O的吸附和共吸附进行了系统的研究. 计算了CO以4种吸附模式和CH₃O以O端在Cu₂O(111)表面上的吸附, 通过对不同吸附位置的吸附能、几何构型参数和Mulliken电荷的计算和比较发现, Cu₂O(111)表面上配位未饱和铜离子(Cu_CUS)为CO的活性吸附位; 配位饱和铜离子(Cu_CSA)为CH₃O的活性吸附位. CO和CH₃O吸附于Cu₂O(111)表面后, 表面弛豫现象明显改善. CO和CH₃O与Cu₂O(111)表面能够形成共吸附体系, CO和CH₃O之间的相互作用力达到75.89 kJ/mol, 为典型的化学作用, 有助于促进CO和CH₃O反应形成表面物种CH₃OCO, 计算结果与实验事实一致.     

分子筛稳定的Lewis酸稀土中心在醛自缩合反应中的应用

羟醛缩合是重要的C–C键偶联反应,可以增长碳链,降低O/C比,用于生产很多大宗化学品,在生物质转化和生物油升级中广受关注.本文以丙醛分子自缩合反应作为模型反应,对比研究了稀土分子筛和稀土氧化物在醛自缩合反应中的催化性能,发现稀土分子筛的活性远高于稀土氧化物,其中Y/Beta活性最佳,并且具有良好的循环性能.随后采用程序升温表面反应(TPSR)、原位漫反射红外光谱(in situ DRIFTS)和原位漫反射紫外光谱(in situ UV-vis DRS)对Y/Beta和Y₂O₃催化丙醛缩合反应过程进行对比研究.TPSR结果表明,Y/Beta催化剂的反应能垒比Y₂O₃低;通过原位DRIFTS和UV-vis DRS谱结果发现,Y/Beta催化剂上Lewis酸位点对丙醛分子具有较强的吸附能力,利于缩合反应的进行,而Y₂O₃上几乎没有产物的特征峰,但出现芳香烃物种的吸收峰,表明Y₂O₃比Y/Beta催化剂更容易形成积碳物种,从而造成催化剂失活.我们还通过密度泛函理论(DFT)对Y/Beta分子筛的结构及其催化羟醛缩合反应过程进行计算模拟,揭示了羟醛缩合的主要反应步骤,即醛经历烯醇异构化、亲核加成和羟醛二聚体脱水等关键步骤,其中羟醛二聚体脱水是决速步.此外,具有开放结构的Y中心的催化活性比闭合结构的更高,其羟基可以通过氢键有效稳定羟醛二聚体的过渡态,从而降低其转化能垒,并且羟基的数量越多,能垒越低.因此,具有Lewis酸位点的Y(OSi)(OH)2是羟醛缩合反应的主要活性中心.综上,[Si]Beta分子筛对活性位点Y-OH的稳定作用,Y–OH是反应的活性位点,能够显著降低反应的能垒,而分子筛的限域作用可以有效控制中间物种的扩散,从而进一步促进羟醛缩合反应的进行.醛在反应过程中首先吸附在Y–OH位点上,经历α-C–H键的裂化,转变成烯醇式结构;裂化产生的氢原子和Y–OH中的羟基作用能够大大降低活化能垒;烯醇式离子和另一分子醛自发发生亲核加成反应生成醇盐离子,生成的醇盐离子与烯醇异构化反应中裂化的氢原子发生质子化反应,从而得到羟醛二聚体;最后,羟醛二聚体吸附在Y–OH上,通过氢键稳定过渡态,降低了活化能垒,诱发脱水反应生成最终产物.     

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。     

乙醇在Co(111)表面脱氢反应机理的第一性原理研究

采用密度泛函理论和周期平板模型相结合的方法针对Co（111）表面上乙醇脱氢反应的反应机理进行了细致的研究,同时,对反应过程中涉及到的各个物种在表面上不同吸附位（顶位（top）,桥位（bridge）,三重空穴位（fcc和hcp））的吸附模型进行了结构优化以及相关能量的计算,确定了各物种的最佳吸附位点.研究结果表明,CH₃CH₂OH在Co（111）表面的脱氢反应可具体描述为三条反应路径：反应路径I为CH₃CH₂OH逐步脱氢经由中间体CH₃CHO,最终生成CH₄和CO的反应;反应路径Ⅱ为CH₃CH₂OH脱氢产生的CH₃CH₂O基和CH₃CHO相互作用通过CH₃COOH分子最终生成CH₄和CO₂的反应;反应路径Ⅲ为CH₃CH₂O基和CH₃CO基作用生成CH₃COOC₂H₅的过程,其中,反应路径I为最优路径（CH₃CH₂OH→CH₃CH₂O→CH₃CHO→CH₃CO→CH₃+CO→CH₂→CH→CH₄+CO+C+H）,该反应路径中的CH₃CH₂O基脱氢生成CH₃CHO为速控步骤,反应能垒为1.61 eV.     

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。     

分子筛稳定的Lewis酸稀土中心在醛自缩合反应中的应用（英文）

羟醛缩合是重要的C–C键偶联反应,可以增长碳链,降低O/C比,用于生产很多大宗化学品,在生物质转化和生物油升级中广受关注.本文以丙醛分子自缩合反应作为模型反应,对比研究了稀土分子筛和稀土氧化物在醛自缩合反应中的催化性能,发现稀土分子筛的活性远高于稀土氧化物,其中Y/Beta活性最佳,并且具有良好的循环性能.随后采用程序升温表面反应(TPSR)、原位漫反射红外光谱(in situ DRIFTS)和原位漫反射紫外光谱(in situ UV-vis DRS)对Y/Beta和Y2O3催化丙醛缩合反应过程进行对比研究.TPSR结果表明, Y/Beta催化剂的反应能垒比Y2O3低;通过原位DRIFTS和UV-visDRS谱结果发现, Y/Beta催化剂上Lewis酸位点对丙醛分子具有较强的吸附能力,利于缩合反应的进行,而Y2O3上几乎没有产物的特征峰,但出现芳香烃物种的吸收峰,表明Y2O3比Y/Beta催化剂更容易形成积碳物种,从而造成催化剂失活.我们还通过密度泛函理论(DFT)对Y/Beta分子筛的结构及其催化羟醛缩合反应过程进行计算模拟,揭示了羟醛缩合的主要反应步骤,即醛经历烯醇异构化、亲核加成和羟醛二聚体脱水等关键步骤,其中羟醛二聚体脱水是决速步.此外,具有开放结构的Y中心的催化活性比闭合结构的更高,其羟基可以通过氢键有效稳定羟醛二聚体的过渡态,从而降低其转化能垒,并且羟基的数量越多,能垒越低.因此,具有Lewis酸位点的Y(OSi)(OH)2是羟醛缩合反应的主要活性中心.综上,[Si]Beta分子筛对活性位点Y-OH的稳定作用, Y–OH是反应的活性位点,能够显著降低反应的能垒,而分子筛的限域作用可以有效控制中间物种的扩散,从而进一步促进羟醛缩合反应的进行.醛在反应过程中首先吸附在Y–OH位点上,经历α-C–H键的裂化,转变成烯醇式结构;裂化产生的氢原子和Y–OH中的羟基作用能够大大降低活化能垒;烯醇式离子和另一分子醛自发发生亲核加成反应生成醇盐离子,生成的醇盐离子与烯醇异构化反应中裂化的氢原子发生质子化反应,从而得到羟醛二聚体;最后,羟醛二聚体吸附在Y–OH上,通过氢键稳定过渡态,降低了活化能垒,诱发脱水反应生成最终产物.     

放射性碘分子在Cu2O表面的吸附:第一性原理密度泛函研究

采用第一性原理密度泛函计算方法和周期性平板模型系统研究了放射性碘分子在Cu₂O三个低指数表面的吸附行为。通过计算若干平衡吸附构型的结构参数和吸附能评估了不同特征吸附位的作用。构型优化计算表明所选晶面存在适度的结构弛豫。计算结果表明,与Cu₂O（110）表面相比,Cu₂O（100）和（111）晶面表现出更高的碘分子吸附反应活性。其中,表面氧原子位（O_S）和配位未饱和铜原子位（Cu_CUS）分别为Cu₂O（100）和（111）晶面的能量最优吸附位点。此外,针对几种典型吸附结构计算分析了其电子结构信息,以进一步阐明吸附体系之间的相互作用机理。     

构建Cu台阶位促进电催化CO2还原制醇类化学品的研究(英文)

电催化CO₂制备高附加值的化学品是解决当前碳排放问题的可行技术路线之一.其中,合成醇类化合物因具有广泛用途和高价值而备受关注.在电催化CO₂还原合成多碳醇反应中,关键中间体*CH₂CHO容易发生热力学有利的脱氧反应而生成C2H4,降低了醇类产物的选择性.由于电催化CO₂还原是一个表面结构敏感的反应,因此可以通过设计Cu基催化剂的特定表面结构,实现对反应路径的有效调节,从而提升醇类产物的选择性.本课题组前期通过密度泛函理论(DFT)计算和主成分分析法等对Cu基催化剂的构效关系进行解析,说明配位不饱和的台阶位点有望高效地促进醇类产物的生成.本文进一步从实验角度,证明了配位不饱和的台阶位点是生成醇类产物的活性位点.本文采用CO分子作为还原剂制备了CuO衍生的金属Cu催化剂(COD-Cu),利用CO分子对Cu表面的重构作用,获得了具有丰富台阶位点的Cu催化剂.而通过H₂还原制备的金属Cu催化剂(HOD-Cu)对照样表面则多为平面位点.X射线衍射和原位拉曼光谱结果表明, CuO前驱体经过...     

不同晶相TiO2负载Cu2O催化甲醛乙炔化反应

分别以金红石相和锐钛矿相TiO₂为载体, 采用液相还原-沉积法制备了Cu₂O/TiO₂催化剂. 采用氮气物理吸附-脱附(N₂-physisorption)实验、 氢气程序升温还原(H₂-TPR)、 X射线衍射(XRD)、 X射线光电子能谱(XPS)、 CO红外光谱(CO-IR)及高分辨透射电子显微镜(HRTEM)等技术, 研究了不同晶相TiO₂载体对Cu₂O/TiO₂结构及其催化甲醛乙炔化反应性能的影响. 结果表明, 以金红石相TiO₂为载体的催化剂炔化活性明显高于以锐钛矿相TiO₂为载体的催化剂, 原因在于金红石相TiO₂主要暴露(110)晶面, 其与铜物种的配位环境及较高的空位密度形成了更多的Cu—O—Ti结构物种, 表现为Cu₂O与TiO₂之间强的相互作用. 这导致Cu₂O高效转变为乙炔亚铜活性物种, 并保持了较高的分散度与稳定性, 抑制了过度还原物种金属Cu的生成, 进而使催化剂表现出较高的催化性能.     

双金属合金团簇M12Ni(M=Pt,Sn,Cu)催化甲烷干法重整反应的理论研究

利用密度泛函理论(DFT)研究了M₁₂Ni(M=Pt, Sn, Cu) 3种双金属合金团簇的电子活性和结构稳定性, 并探讨了甲烷干法重整反应(DRM)在M₁₂Ni双金属团簇表面的反应能量变化情况. 经比较发现甲烷脱氢和二氧化碳活化过程在Pt₁₂Ni团簇表面进行需克服的活化能垒最低, 反应最易进行. Sn₁₂Ni团簇上生成碳需要较高的活化能, 说明Sn₁₂Ni团簇能够有效抑制焦碳的生成, 一定程度上克服了碳沉积导致的催化剂失活现象, 并且Sn₁₂Ni团簇在C ^*和CH ^*氧化过程中表现出最佳的催化活性. Cu₁₂Ni团簇仅在甲烷脱氢过程中表现出较为优异的催化活性.     

ZrO2晶型对CO加氢制异丁烯反应影响的研究

不同晶型结构的ZrO₂在CO加氢制异丁烯反应中表现出不同的催化性能。尽管单斜相ZrO₂在合成气制异丁烯反应中具有最优异的催化性能,但是对于其异构化活性位仍缺乏深入认识。通过研究ZrO₂晶型结构对反应性能的影响差异,有利于深入认识ZrO₂催化剂上合成气制异丁烯反应的关键影响因素。因此,本研究制备了一系列不同晶型结构的ZrO₂催化剂,研究了它们在结构性质及催化CO加氢制异丁烯反应性能方面的差异。相对于四方相和无定型ZrO₂,在单斜相ZrO₂催化剂表面,有较多的配位不饱和的Zr位点和O位点。配位不饱和的Zr位点是CO吸附活化的位点,有利于CO的转化。而较多的不饱和配位的O位点,为异丁烯的生成提供了更多的碱性位。此外,在单斜相ZrO₂催化剂表面,配位不饱和的Zr位点和O位点的存在,抑制了电子向反应中生成的甲酸盐物种转移,因此,甲酸盐物种在催化剂表面吸附较弱,有利于CO加氢生成异丁烯。     

粒子尺寸对 Cu/MgO 上 1-辛醇转移脱氢反应的影响

 采用沉积-沉淀法制备了不同 Cu 粒子大小的 Cu/MgO 催化剂, 并考察了 Cu 粒子大小对醇类转移脱氢制醛酮反应性能的影响. 结果表明, Cu/MgO 催化剂对一级脂肪醇的转移脱氢反应具有较高的催化活性. 对于 1-辛醇脱氢, 随着 Cu 粒子的粒径由 4.6 nm 增大到 7.4 nm, 1-辛醛的收率由 65% 减小到 55%, 表现出显著的粒子尺寸效应. 反应机理研究表明, 醇首先在碱性 MgO 表面形成醇盐中间物种, 随后在 Cu 纳米粒子上进一步脱去α-氢生成醛酮, 同时脱去的氢在 Cu 纳米粒子上发生苯乙烯加氢反应, 完成醇的转移脱氢反应循环.     

CH3O和CO在Pd(111)表面偶联反应机理的理论研究

采用DMol³程序包中的GGA-PW91方法, 结合周期平板模型, 对CH₃O和CO在Pd(111)表面的反应进行了系统研究. 计算结果表明, 吸附在Pd(111)表面顶位上的CO分子中C原子所带正电荷最多, 容易与亲核试剂反应, 化学吸附能稍低, 有利于在表面上移动发生亲电插入反应; CH₃O 在Pd(111)表面fcc穴位吸附稳定, O原子上所带的负电荷较多, 易被亲电试剂进攻. 过渡态搜索表明, Pd(111)表面顶位上的CO与fcc穴位上CH₃O反应生成CH₃OOC的为放热反应, 反应能垒较低, 有利于偶联反应的进行.     

Pd/Cu(111)双金属表面催化糠醛脱碳及加氢的反应机理

采用密度泛函理论(DFT)研究糠醛在最稳定Pd/Cu(111)双金属表面上的吸附构型和糠醛脱碳及加氢的反应机理。结果表明,当糠醛初始吸附于O_3-Pd-top、O_7-Cu-hcp位时,吸附构型最稳定,其吸附能为73.4 kJ/mol。糠醛在Pd/Cu(111)双金属表面上更易发生脱碳反应。对于糠醛脱碳反应,所需活化能较低,各个基元反应均为放热反应,糠醛更易先失去支链上的H形成(C_4H_3O)CO,然后中间体脱碳加氢得到呋喃,其中,C_4H_3O加氢生成呋喃所需活化能(72.6 kJ/mol)最高,是反应的控速步骤。对于加氢反应,糠醛与首个氢原子的反应需要最大的活化能(290.4 kJ/mol),是反应的限速步骤。     

Cu13、Cu12Zr和Cu12Zn团簇上CO2还原反应的密度泛函理论研究

本研究采用密度泛函理论研究了Cu₁₃、Cu₁₂Zn和Cu₁₂Zr团簇的CO₂还原反应的吸附和活化能力,计算结果表明相比于Cu₁₃团簇,Cu₁₂Zr增强了对反应物和中间体的吸附能力,而Cu₁₂Zn团簇降低了对反应物和中间体的吸附能力。计算了Cu₁₃、Cu₁₂Zr和Cu₁₂Zn团簇上CO₂还原为CO的能垒为分别为0.65、0.35和0.58 eV,CO₂加氢生成HCOO的能垒为0.87、0.77和0.49 eV,而CO₂加氢生成COOH的能垒为1.67、1.89和0.99 eV。Zn和Zr元素的掺杂提高了铜团簇的CO₂催化还原能力,其中,表现为Cu₁₂Zr团簇有利于CO₂解离生成CO,Cu₁₂Zn团簇有利于CO_2...     

三维Cu-MOF对亚甲蓝的吸附和光催化降解及其机理

本文报道了[Cu₃(ppda)₃(tib)₂(H₂O)₄]·6H₂O(Cu-MOF)的合成、结构、吸附和光催化降解性能。在Cu-MOF中,1,4-苯二乙酸(H₂ppda)和1,3,5-三(1-咪唑基)苯(tib)配体交替连接Cu离子形成二维层,层与层之间通过trans-ppda^2-相互穿插形成稳定的三维结构。Cu-MOF对亚甲蓝(MB)的催化效率为97%,最高反应速率常数为0.019 7 min^-1。光催化降解机理：在光的激发下,催化剂表面的光生电子和空穴对发生分离,并与O₂、H₂O、H₂O₂反应生成活性物质,将染料降解为CO₂和H₂O。在MB溶液中加入NaCl(200 g·L^-1)后,Cu-MOF的吸附量有所提升(87.23 mg·g     

孔隙结构可调的Cu2O球状纳米结构及其NO2气体传感性质

报道在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的协助作用下,通过简单调节OH^-离子的浓度及Cu²⁺的释放速度,将Cu₂O调节为具有不同空腔特征(介孔、空心及实心)结构的纳米球.研究表明, OH^-根离子的扩散动力学是决定产物结构的关键因素.当[OH^-] > 0.05 mol·L^-1时,高的化学势使其迅速扩散到PVP胶团内部,与吸附在PVP链上的Cu²⁺反应形成Cu(OH)₂,在抗坏血酸(Vc)的还原作用下经过重结晶得到Cu₂O实心球纳米结构;当[OH^-] < 0.025 mol·L^-1时,其扩散速度下降,首先与吸附在PVP胶团外部的Cu²⁺反应形成Cu(OH)₂, Cu(OH)₂的形成阻碍了OH^-离子的向内扩散,形成具有较大空腔(~220 nm)的空心球;当0.025 mol·L^-1 < [OH^-] < 0.05 mol·L^-1时,形成较小空腔(30-60 nm)的空心球.以NH₃水为OH^-缓释源时,虽然OH^-浓度较低,但同时Cu²⁺的浓度也低,胶团外部形成的Cu(OH)₂不足以阻碍OH^-离子的向内扩散,反应过程中NH₃的释放及较低的OH^-浓度阻碍了重结晶的发生,从而形成Cu₂O介孔纳米球.对三种典型结构特征的产物进行了NO₂气体传感性质研究,结果表明, Cu₂O介孔纳米球相比空心结构和实心结构具有更为优异的响应性.结合比表面积数据,我们认为介孔纳米球疏散的结构有利于NO₂气体的扩散和O₂的吸附,从而表现出了更灵敏的气体传感性.     

铜催化CO2和1-苯基丙炔的氢羧基化反应机理及区域选择性

采用密度泛函理论(DFT)方法研究了在还原剂(EtO)₃SiH存在下, 铜(I) (Cl₂IPrCuF)催化CO₂插入1-苯基丙炔生成α,β不饱和羧酸的反应机理. 计算结果表明, Cl₂IPrCuF 首先与(EtO)₃SiH 生成活性催化剂Cl₂IPrCuH,然后经历三个步骤完成催化反应: (1) Cl₂IPrCuH 与1-苯基丙炔加成生成烯基铜中间体. 由于炔烃的不对称性,烯基铜中间体有两种同分异构体, 最后可导致生成两种对应的α,β不饱和羧酸衍生物; (2) CO₂插入烯基铜中间体得到羧基铜中间体; (3) (EtO)₃SiH 与羧基铜中间体发生σ转位反应形成最终产物, 同时重新生成催化剂Cl₂IPrCuH. 理论研究还表明, 生成两种α,β不饱和羧酸衍生物的反应路径所对应的决速步骤不同, 在Path a 中炔烃插入反应和CO₂插入反应都可能是整个催化反应的决速步骤, 自由能垒分别为68.6 和67.8 kJ·mol^-1, 而在Path b中, 仅炔烃插入反应是整个催化反应的决速步骤, 自由能垒为78.7 kJ·mol^-1. 此结果很好地给出了实验上两种α,β不饱和羧酸衍生物收率不同的原因. 炔烃与Cl₂IPrCuH的加成决定了反应的区域选择性, 其中电子效应是影响反应区域选择性的主要原因.