镍铝催化剂吸附动力学参数的非线性动态分析

在推导出适应于甲烷化反应体系非线性动态分析不同吸附物种动力学参数模型的基础上，采用计算优化出工业镍铝甲烷化催化剂上可逆吸附氢和可逆吸附一氧化碳的吸附速率常数和吸附平衡常数。结果表明，镍铝催化剂上吸附可逆氢要比吸附一氧化碳快２．２倍左右。该结果为镍铝催化剂上甲烷化产物的生成主要依赖于一氧化碳的吸附这一判断提供了理论依据。由于镍铝催化剂上甲烷化是可逆吸附氢与不可逆吸附一氧化碳共同作用的结果，且不可逆吸     

烃类在ZSM-5分子筛上吸附的研究

本文对烃类在不同ZSM-5分子筛上吸—脱附的动态行为进行了研究。描述了程序升温脱附过程中扩散系数和扩散活化能的计算模型;测定了环己烷在ZSM-5分子筛样品上的迎头流出曲线。发现环己烷在ZSM-5分子筛上的吸附存在着可逆和不可逆两个过程,后者受环己烷在分子筛内部孔道的扩散所制约,同时不同样品上吸附性能的差异与X-射线衍射峰的特征以及甲醇转化为汽油的反应性能之间存在着密切关系。谱图属A 型的ZSM-5分子筛对环己烷有较大的吸附量、较小的孔道扩散障碍和较好的甲醇转化反应稳定性。     

催化反应色谱技术的理论和实践

在动态过程中,由于表面上吸附物种的浓度随时间而变化,因此有可能提供稳态流动法不可能获得的信息。本文提出了能够获得反应物峰矩量值的催化反应色谱理论,并以此理论初步考察了噻吩氢解和环己烷脱氢反应,测定了不同温度下反应的吸附和表面反应速率,获得了分离的吸附和表面反应速率常数值,得到了两反应的吸附热和表面反应活化能值。环己烷的吸附速率常数>10~6可以认为瞬时达到平衡;噻吩加氢的吸附速率在约270℃时有一转折,结果表明,不需假设单一速率控制步骤即可分别地测定吸附和表面反应速率,从而对催化反应的动力学特性和反应机理有可能作较深人的了解。     

单晶表面上水-气转移反应动力学及可逆吸附的作用—─Monte Carlo 模拟研究

用二元方格网络表示Ｃｕ（１１１）单晶表面上吸附活性位构型，建立了一个水－气转移反应的蒙特卡罗模型；对水－气转移反应的动力学进行了模拟，并研究了可逆吸附在表面反应中的重要作用．当水的解离吸附为反应的决速步骤时，模拟得到的ＣＯ和Ｈ２Ｏ的反应级数与Ｃａｍｐｂｅｌ等的单晶实验结果一致．模拟研究还表明，可逆吸附不仅可以抑制催化剂表面同种吸附物种ｃｌｕｓｔｅｒ的形成，而且可以不断提供新的吸附活性位，从而使表面反应稳定进行得以维持．     

ZrO2修饰Cu催化剂对甲醇吸附原位红外表征

通过原位红外漫反射实验比较研究了甲醇在Cu及ZrO2/Cu催化剂表面的吸附与反应,并且采用不同还原温度来处理催化剂,改变催化剂表面的氧含量,并进一步研究甲醇吸附和反应性能随着催化剂表面氧含量的变化规律.结果表明,甲醇在Cu催化剂表面反应生成吸附态甲醛物种,进一步生成CO2,而在ZrO2/Cu表面形成甲酸盐物种,并与表面氧进一步反应生成CO2.随着催化剂还原温度的升高,反应中间物进一步生成CO2的反应速率变慢,说明催化剂表面的氧物种含量决定着催化剂甲醇吸附中间物种的形成及反应速率.     

可逆与不可逆吸附氢在合成甲醇反应中的作用

在自行设计和建立的加压动态分析装置上研究了合成甲醇催化剂上氢的吸附和反应行为。结果表明:在反应条件下催化剂上吸附的氢可分为可逆吸附氢和不可逆吸附氢;不可逆吸附氢又可分为能被CO顶替出来的和不能被CO顶替出来的两部分;能被CO顶替出来的不可逆吸附氢对CO的吸附起促进作用,不能被CO顶替出来的不可逆吸附氢是合成甲醇催化剂必不可少的“组分”或称“促进剂”;同时甲醇的生成是可逆吸附氢与一氧化碳作用的结果。     

催化剂筛选：火山型曲线成因理论解析及其在多相催化中的应用

多相催化对于现代社会来说具有极其重要的意义,催化剂的理性设计/筛选是现代催化化学研究者的一个重要的目标。其中,火山型曲线是一个的重要工具。它指出对于一个催化反应来说,其催化活性针对关键物种吸附能来说呈一条先上升后下降的曲线,要求最佳催化剂对中间体的吸附能不能太高也不能太低。近几十年来,密度泛函理论等第一性原理计算方法的发展让许多催化剂表面反应微观物理量的计算成为了可能,这极大地拓展了火山型曲线的应用范围。 然而,对于火山型曲线根源的解释,人们却并非了解得十分清楚;一些基本科学概念的理解很多还是基于经验性的Sabatier原理：吸附太弱不利于吸附、太强不利于脱附。针对该问题的科学解析,本文进行了详细的动力学探究,试图以完全数学解析的方式回答催化反应中火山型曲线的必然存在性、产生根源及在催化活性预测中的内涵。本文采用了两步催化模型以及微动力学来进行速率方程的推导,并考虑BEP关系(基元反应的能垒与其反应焓存在线性关系)的应用,最终将整体反应速率转化为中间体吸附能相关的单值函数。基于对该函数的系列推导和分析,得到如下基本结论：(1)从数学上以一个完全的解析形式证明了催化反应中火山型曲线的存在。(2)通过对比催化反应与与之对应的气相反应,我们证明了：若无催化剂参与反应,则火山型曲线不会产生;由于催化剂表面的参与,随着催化剂吸附能力的增强,其表面会因为吸附作用而被占据毒化,导致反应速率存在一个最大值,即形成火山型曲线。从概念上讲,火山型曲线的根源是由“吸附过程引发表面活性位占据”这一自毒化效应造成的,它的存在可能体现为多相催化的基本属性。(3)数值模拟解析展示了表面反应与气相反应的区别,印证了我们的数学解析结论。同时,通过一定的简化,我们对火山型曲线中各部分的斜率进行了研究。结果发现,对于吸附决速过程,催化反应和气相反应斜率相同,其差别主要出现在脱附决速过程。在此阶段由于吸附能过大,表面被毒化,表面反应速率开始下降;而气相反应的速率依然上升。(4)表面反应速率方程的分解和简化结果表明,最佳催化剂在反应中的空活性位点覆盖度和其BEP关系的斜率存在内在关联关系(θ*opt=1–α),据此讨论了其在催化剂寻优过程中的意义。尝试解释了(a)合成氨反应中正逆反应所需最佳催化剂不同的现象;(b)合成氨或CO甲烷化反应最佳催化剂为前过渡金属、而CO/NO氧化等为后过渡金属这一典型催化现象的物理图像。最后,针对火山型曲线理论框架在实际催化剂理论筛选寻优中的应用,我们简要综述了本课题组近年来在光解水制氢Pt基助催化剂和染料敏化太阳能电池的对电极材料设计方面的理论进展。     

催化剂筛选:火山型曲线成因理论解析及其在多相催化中的应用（英文）

多相催化对于现代社会来说具有极其重要的意义,催化剂的理性设计/筛选是现代催化化学研究者的一个重要的目标.其中,火山型曲线是一个的重要工具.它指出对于一个催化反应来说,其催化活性针对关键物种吸附能来说呈一条先上升后下降的曲线,要求最佳催化剂对中间体的吸附能不能太高也不能太低.近几十年来,密度泛函理论等第一性原理计算方法的发展让许多催化剂表面反应微观物理量的计算成为了可能,这极大地拓展了火山型曲线的应用范围.然而,对于火山型曲线根源的解释,人们却并非了解得十分清楚;一些基本科学概念的理解很多还是基于经验性的Sabatier原理:吸附太弱不利于吸附、太强不利于脱附.针对该问题的科学解析,本文进行了详细的动力学探究,试图以完全数学解析的方式回答催化反应中火山型曲线的必然存在性、产生根源及在催化活性预测中的内涵.本文采用了两步催化模型以及微动力学来进行速率方程的推导,并考虑BEP关系(基元反应的能垒与其反应焓存在线性关系)的应用,最终将整体反应速率转化为中间体吸附能相关的单值函数.基于对该函数的系列推导和分析,得到如下基本结论:(1)从数学上以一个完全的解析形式证明了催化反应中火山型曲线的存在.(2)通过对比催化反应与与之对应的气相反应,我们证明了:若无催化剂参与反应,则火山型曲线不会产生;由于催化剂表面的参与,随着催化剂吸附能力的增强,其表面会因为吸附作用而被占据毒化,导致反应速率存在一个最大值,即形成火山型曲线.从概念上讲,火山型曲线的根源是由"吸附过程引发表面活性位占据"这一自毒化效应造成的,它的存在可能体现为多相催化的基本属性.(3)数值模拟解析展示了表面反应与气相反应的区别,印证了我们的数学解析结论.同时,通过一定的简化,我们对火山型曲线中各部分的斜率进行了研究.结果发现,对于吸附决速过程,催化反应和气相反应斜率相同,其差别主要出现在脱附决速过程.在此阶段由于吸附能过大,表面被毒化,表面反应速率开始下降;而气相反应的速率依然上升.(4)表面反应速率方程的分解和简化结果表明,最佳催化剂在反应中的空活性位点覆盖度和其BEP关系的斜率存在内在关联关系(θopt=1–α),据此讨论了其在催化剂寻优过程中的意义.尝试解释了(a)合成氨反应中正逆反应所需最佳催化剂不同的现象;*(b)合成氨或CO甲烷化反应最佳催化剂为前过渡金属、而CO/NO氧化等为后过渡金属这一典型催化现象的物理图像.最后,针对火山型曲线理论框架在实际催化剂理论筛选寻优中的应用,我们简要综述了本课题组近年来在光解水制氢Pt基助催化剂和染料敏化太阳能电池的对电极材料设计方面的理论进展.     

可逆与不可逆吸附的CO在甲烷化反应中的作用

在自行设计和建立的加压动态分析装置上,研究了工业甲烷化催化剂(Ni/Al_2O_3)上CO的吸附和反应行为。结果表明,在反应温度250℃下催化剂上吸附的CO有可逆吸附和不可逆吸附之分,甲烷的生成是与不可逆吸附的CO作用的结果,而可逆吸附CO则与生成乙烷、丙烷等密切相关。同时发现甲烷化反应过程的发生必须以不可逆吸附的氢存在为前提,且催化剂上不可逆吸附的氢可分为两部分,一部分可以被CO顶出,这部分氢可能起到了诱导CO吸附的作用;另一部分不可逆吸附的氢不能被CO顶出,这部分氢可能是构成催化剂不可缺少的“组分”(或称“促进剂”)。     

氮化钼催化剂上丁二烯吸附物种的程序升温表面反应

使用程序升温表面反应的方法对氮化钼催化剂上的丁二烯吸附物种进行了考察。结果表明,当用氢气对吸附丁二烯后的氮化钼进行吹扫时,表面大量脱附的是可逆吸附的σ－π配位的Ｃ４物种;１２０℃脱附的产物可能是丁川物种;３２０℃（钝化态为３６０℃）出现了丁二烯的加氢和裂解产物,为强吸附的碳氢物种;聚合物的脱附出现在１２０～３６０℃,其脱附温度随反应条件或催化剂的不同而变化。新鲜态和钝化态催化剂在不同温度区域的脱附