Cu(221)和CuZn(221)表面甲醇合成的基于第一性原理微观动力学的理论研究

本文基于第一性原理的微观动力学模拟方法,对Cu（221）和CuZn（221）上一氧化碳和二氧化碳加氢到甲醇进行了系统的理论计算研究.研究发现,碳转化率在两个表面上均表现出相同的活性顺序：CO加氢活性 > CO/CO₂混合加氢活性 > CO₂加氢活性.CO的高转化活性源于其基元反应能垒低于CO₂甲醇合成的基元反应能垒.相比于Cu（221）表面,Zn的掺杂显著降低了甲醇合成活性,尤其是CO加氢的活性.对于CO和CO₂共存的情况,研究发现CO是Cu（221）甲醇合成的主要碳源,而CuZn（221）上的碳源则由CO和CO₂共同提供.反应速控度分析表明,CO/CO₂混合气甲醇合成的速控步在Cu（221）表面是HCO、HCOO的加氢,而在CuZn（221）表面速控步则是HCOOH的加氢.这些研究结果表明铜基催化剂上Zn的表面合金效应、以及合成气组分对甲醇合成的活性和反应通道具有重要的影响.     

CH_3OH在ZnO(0001)表面的光催化解离（英文）

本文利用266 nm波长的激光及程序升温脱附的方法研究了甲醇在ZnO(0001)表面的光催化反应.TPD结果显示部分的CH_3OH以分子的形式吸附在ZnO(0001)表面,而另外一部分在表面发生了解离.实验过程中探测到H_2,CH_3~·,H_2O,CO,CH_2O,CO_2和CH_3OH这些热反应产物.紫外激光照射实验结果表明光照可以促进CH_3OH/CH_3O解离形成CH_2O,在程序升温或光照的过程中它又可以转变为HCOO~-.CH_3OH_(Zn)与OH_(ad)反应在Zn位点上形成H20分子.升温或光照都能促进CH_3O~·转变为CH_3~·.该研究对CH_3OH在ZnO(0001)表面的光催化反应机理提供了一个新的见解.     

非水醇胺溶液吸收CO_2的微观分析

工业生产中排放的大量CO_2引起了环境问题,使得从烟气中捕集CO_2成为研究热点。传统的醇胺水溶液吸收方法吸收效率高,但再生能耗高。非水醇胺溶液不仅具有较高的吸收性能,同时再生能耗也低。本文采用从头算法中的密度泛函理论研究分析了单乙醇胺(MEA)与CO_2分子在水和甲醇不同溶剂化效应下的化学反应过程。结果表明,在溶剂不参与反应的条件下,不同的溶剂化作用对化学反应路径影响较小,但相应基元反应的能量变化略有不同。与水相比,在甲醇的溶剂化作用下反应的内禀反应坐标能垒较低,CO_2分子更易被MEA吸收解吸。     

中性循环中铱催化甲醇羰基化合成乙酸的理论研究

采用密度泛函理论研究了中性循环中Ir(CO)_3I催化甲醇羰基化制乙酸的反应机理,计算得到了反应路径上各驻点的几何构型与频率,通过能量和振动分析证实了过渡态的真实性.结果表明,Ir(CO)_2I与CH_3I作用后,亲核加成过程出现反应路径中最大能垒(40. 3 kJ/mol),使用能量跨度模型分析了反应过程的动力学信息,确定了反应的能量跨度和决速中间体和决速过渡态分别为IM1和TS12,亲核加成过程为反应的决速步骤,得到了298 K催化剂的转化频率3. 2×10~(-6)s~(-1).     

Pd修饰Cu电极的电化学CO_2还原（英文）

利用微分电化学质谱和电化学原位衰减全反射红外光谱技术探究了Cu和CuPd催化剂上CO_2和CO的电化学还原行为.红外光谱观察到了生成甲醇、甲烷与乙烯的CH_x中间物种.在CuPd电极CO_2还原过程中,红外光谱的CO吸附峰起始电位比Cu正移大约300 mV,说明CuPd能够有效促进CO_2还原;CO饱和溶液中,Cu和CuPd电极CO起始吸附电位基本相同;两电极上CO谱带出现的电位与CO_3~(2-)的谱带降低的电位基本相同,说明C O的吸附需要CO_3~(2-)的脱附.利用电化学在线质谱发现在CuPd电极上CO还原产生CH_4和CH_3OH的起始电位比Cu电极正移约200 mV.推测催化活性的提升可能是由于Pd的引入改变了Cu的d能带,且Pd吸附更多的H,从而促进CO_2还原,使CO能够与H结合并被深度还原.     

NH_3在Ir(211)和Ir(221)表面吸附的第一性原理计算

采用密度泛函理论,结合周期性平板模型,研究了NH_3在Ir(211)和Ir(221)表面上的吸附行为.计算结果显示,在Ir(211)、(221)两个面上,NH_3的优势吸附位皆为脊上的top位,吸附能均达到1.0 eV以上,都为化学吸附.电子结构计算结果表明,NH_3通过其N原子的2p_z轨道与底物金属Ir的5d_z~2轨道混合吸附于表面.     

铜基MOF的CO氧化机理

利用第一原理密度泛函理论,研究了CO在铜基MOF(CuBTC)上氧化的反应机理.研究显示CO和O2弱吸附在轮形Cu2构筑单元铜的顶位上,并且电子从O2和CO转移到Cu,通过两个机理(Eley-Rideal机理和Langmuir-Hinshelwood机理)的研究,揭示了CO在CuBTC的氧化是准Langmuir-Hinshelwood机理,先在铜上吸附的CO和氧气先越过1.8eV的能垒形成OOCO的中间体,然后分解成CO2,同时有活性氧吸附在Cu位,活性氧与第二个CO反应生成CO2.总的来说,研究有助于理解CO在铜基MOFs的氧化.     

交换关联泛函近似方法对Ru催化剂上甲烷和乙烷形成的影响

密度泛函理论作为多相催化研究中的一个强有力工具,常被用于获得催化过程中关键的热力学及动力学参数,如吸附能、反应焓、活化能垒和速率常数等. 理解密度泛函交换关联近似方法对于揭示催化剂的催化性能及机理至关重要. 本文报道了六种不同的交换关联泛函近似方法,包括PBE、RPBE、BEEF+vdW、optB86b+vdW、SCAN和SCAN+rVV10,对金属Ru(0001)和Ru(1011)表面上甲烷和乙烷形成过程中涉及到的中间体的吸附能、反应能和活化能垒的影响. 当基元反应中反应物和产物与表面的配位数不同时,理论计算的反应能大小强烈依赖于交换关联密度泛函的选择. 对于涉及多个基元步骤的总反应,反应能的计算偏差会逐渐累积,从而导致不同的交换关联泛函近似方法之间的巨大差异. 由于不同泛函对反应涉及到的中间体吸附能之间存在差异,交换关联泛函近似方法的选择显著地影响Ru(0001)表面上甲烷、乙烯和乙烷的选择性. 然而,不同泛函近似方法对于Ru(0001) 和Ru(1011)表面上基元反应的能垒以及结构敏感性影响不大. 本工作不仅揭示了交换关联密度泛函近似方法在理论计算研究催化领域的局限性,也强调了选择合适的交换关联泛函方法对于正确评估催化剂活性和选择性的重要性.     

第一性原理研究CO在Cu(110)表面的吸附

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 并同时考虑范德华力的作用, 计算并分析了CO在Cu(110)表面的吸附情况. 结果表明: 1) CO在两个表面Cu原子的短桥位位置吸附最强, 吸附能为1.28 eV. 第二稳定吸附位置为表面Cu原子的顶位, 吸附能为1.23 eV. CO在其他两个位置, 表面两个Cu的长桥位和表面四个Cu的中心位的吸附要弱一些, 约为0.86 eV 和 0.83 eV. 2) 在Cu表面吸附的CO的C-O键长有部分拉长, 这与较强的吸附能和电荷转移相应. 3) 电荷分析表明所有吸附的CO整体上从衬底上面获得部分电荷, 约为0.2 个电荷.     

铜基MOF的CO氧化机理

利用第一原理密度泛函理论,研究了CO在铜基MOF ( CuBTC )上氧化的反应机理。研究显示CO和O2 弱吸附在轮形Cu2构筑单元铜的顶位上,并且电子从O2和CO转移到Cu,通过两个机理(Eley-Rideal 机理和 Langmuir-Hinshelwood机理)的研究,揭示了CO在CuBTC的氧化是准Langmuir-Hinshelwood机理,先在铜上吸附的CO和氧气先越过1.8eV的能垒形成OOCO的中间体,然后分解成CO2,同时有活性氧吸附在Cu位,活性氧与第二个CO反应生成CO2。总的来说,研究有助于理解CO在铜基 MOFs的氧化。     

第一性原理研究CO在Cu(110)表面的吸附

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,并同时考虑范德华力的作用,计算并分析了CO在Cu(110)表面的吸附情况.结果表明:1)CO在两个表面Cu原子的短桥位位置吸附最强,吸附能为1.28 e V.第二稳定吸附位置为表面Cu原子的顶位,吸附能为1.23 e V.CO在其他两个位置,表面两个Cu的长桥位和表面四个Cu的中心位的吸附要弱一些,约为0.86 e V和0.83 e V.2)在Cu表面吸附的CO的C-O键长有部分拉长,这与较强的吸附能和电荷转移相应.3)电荷分析表明所有吸附的CO整体上从衬底上面获得部分电荷,约为0.2个电荷.     

Cu(100)表面CO分子单层膜的原子结构

利用第一性原理研究了覆盖度分别为1.00, 0.50和0.25 ML时CO分子单层膜在Cu(100)表面的吸附系统. 计算表明CO分子对不稳定. 获得了CO分子单层膜在虚拟Cu(100)表面的原子结构, 以及CO分子单层膜在Cu(100)表面吸附系统的原子结构. 当CO分子单层膜在Cu(100)表面的三个吸附位吸附, 覆盖度为1.00 ML时, 顶位和桥位都稳定, 而空心位不稳定; 覆盖度为0.50和0.25 ML时, 三个吸附位都稳定.比较吸附前后CO分子单层膜的原子结构, 可知CO分子和Cu(100)表面的相互作用强于CO分子单层膜之间的相互作用. 关键词： CO分子单层膜 自组装 CASTEP Cu(100)     

Cu/HMOR催化二甲醚羰基化合成乙酸甲酯: 催化剂制备方法的影响 (cited: 2)

采用氨蒸发法、尿素水解法、离子交换法及浸渍法制备HMOR负载的Cu催化剂, 考察其催化二甲醚(DME)羰基化合成乙酸甲酯(MA)性能. 结果表明离子交换法制得Cu/HMOR催化剂在Cu的金属中心和酸性分子筛载体的共同作用下具有较好催化反应活性. 在210 oC、1.5 MPa、空速4883 h^-1,DME转化率为95.3%,MA选择性为94.9%. 对催化剂进行N2物理吸附、X射线衍射、NH₃程序升温脱附和CO程序升温脱附等表征发现,离子交换法制得Cu/HMOR催化剂具有较高比表面、大量弱酸及一定中强酸、适中的CO吸附强度,提高了CO插入DME羰基化反应活性.     

被羰基镍污染的CO气体在Cu(111)表面的近常压吸附研究

本文利用近常压X射线光电子能谱和近常压扫描隧道显微镜研究了在超高真空(UHV)和近常压条件下,被羰基镍污染的CO气体在Cu(111)表面的吸附过程. 通过控制被污染CO的气体压力,可以在Cu(111)表面上形成Ni-Cu双金属催化剂. 此外,本文探索了CO在所形成的Ni-Cu双金属表面上的吸附和解离过程,并报道了几种CO的高压吸附相结构.     

Cu(111)面K-O复合物的形成

本工作对室温Cu(111)面CO,O₂和K的共吸附进行研究。高分辨电子能量损失谱(HREELS)的实验结果表明:由于K的出现,室温下Cu表面上可以有分子状态的CO存在。C0与K在Cu(111)面上共吸附时,CO分子中的O可以和K形成“K-O”复合物,“K-O”复合物的形成与K在Cu表面上的状态有关。只有在K覆盖度大于0.04时,K原子出现退极化时。“K-O”复合物才被观察到。 关键词：     

被羰基镍污染的CO气体在Cu(111)表面的近常压吸附研究（英文）

本文利用近常压X射线光电子能谱和近常压扫描隧道显微镜研究了在超高真空(UHV)和近常压条件下,被羰基镍污染的CO气体在Cu(111)表面的吸附过程.通过控制被污染CO的气体压力,可以在Cu(111)表面上形成Ni-Cu双金属催化剂.此外,本文探索了CO在所形成的Ni-Cu双金属表面上的吸附和解离过程,并报道了几种CO的高压吸附相结构.     

密度泛函理论研究Rh_n(n=2-5)团簇与部分小分子体系的相互作用

采用密度泛函理论系统计算研究了Rh_n(n=2-5)团簇吸附小分子(H_2、O_2、N_2、NO、CO、NO_2、CO_2)体系的基态几何结构和电子结构特性.结果表明:N_2、NO、CO和CO_2在Rhn表面以物理吸附的形式存在,H_2和NO_2在Rhn表面发生化学吸附,O_2在Rhn表面的吸附与Rh团簇所含原子数目的奇偶性密切相关:O_2在含奇数原子铑团簇表面发生化学吸附、在含偶数原子铑团簇表面发生物理吸附;对于各小分子在Rhn表面的物理吸附而言,吸附能强弱顺序为NO(CO≈NO_2≈O_2)(CO_2≈N_2)H_2.     

铂基团簇Pt_3X(X=Al,Si,Cu)催化水制氢及其水解副产物氧化CO（英文）

本文基于第一性原理研究了利用具有幻数结构特点的Pt_3X(X=Al,Si,Cu)团簇仅通过一步反应就能催化分解水制氢的反应过程.吸附物H_2O@Pt_3X团簇在波长300～760 nm的紫外和可见光范围内有强吸收,表明太阳光可以方便地用于Pt_3X的催化水解制氢的反应.此外,水解后滞留在团簇上的O原子可在反应活化能为0.34～0.58 eV内与CO氧化反应生成CO_2.这个通过氧化消除"毒性"CO的结果表明了反应副产物有能作催化剂的循环再利用能力.本文发现生成的CO_2分子还可以在323 K的温度下脱离Pt_3X小团簇.     

微细腔内CO_2对CH_4/H_2O重整反应特性影响

基于镍基催化剂下表面反应机理,采用数值模拟方法,深入研究了在一定水碳比下,CO_2含量的变化以及在固定的CH_4/H_2O/CO_2比例下催化壁面温度,质量流量对微细腔内甲烷重整反应的影响。结果表明提高CO_2/CH_4的比例能够明显提高CO_2、CH_4转化率,提高CO的含量。CH_4/CO_2基元反应的产物在低温条件下CO和H_2O,水蒸气转化率和H_2产量降低,CO_2含量增加降低水蒸气的消耗;在高温条件下,由于产生CO和H_2,使氢气含量增加但水蒸气转化率降低.     

无表面活性剂Pt和PtRu纳米粒子制备及其甲醇氧化活性

利用一种简单的方法制备不含任何表面活性剂并具有高甲醇氧化活性的Pt和PtRu纳米电催化剂. 以CO为还原剂, CO和多壁碳纳米管(MWCNT_s)为保护剂和载体,通过一步反应得到沉积在多壁碳纳米管上Pt纳米粒子,在制备过程中无需使用任何有机溶剂或表面活性剂. 利用循环伏安法和计时电流法表征了所合成催化剂的甲醇氧化活性,甲醇氧化的峰电位(ca. 0.9 V vs. RHE)处的电流密度和比质量电流高达11.6 mA/cm² 和860 mA/mg_Pt. 在Pt/MWCNT_s表面电沉积Ru后,催化剂在低电位处的甲醇氧化活性得到提高,其在0.5和0.6 V的稳态比质量电流分别达到了20和80 mA/mg.