甲酸在Pt(100)单晶电极表面解离吸附过程的动力学

有机小分子在电催化剂表面的解离吸附,是燃料电池阳极氧化过程中发生自毒化现象的主要原因.事实上这类解离吸附是一种表面分子过程,包括有机分子在电极表面吸附,分子内断键,生成新的吸附分子或基因等步骤.Sun等研究了甲醇等在一系列铂单晶电极上的解离吸附,发现这类过程极强地依赖于电极表面原子排列结构.虽然已有大量文献报导了运用原位红外光谱检测各类有机小分子解离吸附物种,但迄今仍未见到动力学方面的研究结果.显然,对这种在电化学条件下表面分子反应过程的动力学研究,必将进一步揭     

激光促进甲醇氧化偶联表面反应的规律

用沉淀法制备了Ｌｉ３ＰＯ４、ＢｉＰＯ４和Ｌｉ３ＰＯ４、ＢｉＰＯ４三种固体表面材料,并用ＸＲＤ、ＩＲ、ＴＰＤ和激光促进表面反应（ＬＳＳＲ）等技术研究了这些固体表面上甲醇氧化偶联生成乙二醇的反应规律。实验结果表明：甲醇在固体材料表面的Ｐ＝９键上产生Ｃ－Ｈ端的分子态吸附,在表面的Ｌｅｗｉｓ酸位（金属离子）上产生解离态吸附。Ｌｉ３ＰＯ４和ＢｉＰＯ４的相互作用可促进甲醇在固体表面上的分子态吸附而抑制解离态吸     

氢在钯单晶表面的解离与在体相的扩散

氢分子在金属表面的解离吸附与氢原子在金属体相的扩散是个典型的表面过程.前者在甲烷化及合成氨等基础化工反应中起着关键作用;后者常常导致金属材料的脆化与断裂,但过渡金属及其合金是安全和优良的储氢材料.因此,研究氢分子在金属表面的解离吸附与氢原子在金属体相的扩散,是多相催化与金属物理广泛感兴趣的课题,具有重要的理论和应用价值.本文采用分子动力学方法初步探讨了二者之间的关联.分子催化动力学为从微观层次上研究上述课题提供了一种理论方法.本文采用经过我们改进的半经验LEPS方法,计算了氢分子在Pd(100)和(110)晶面的解离和氢原子在钯表面与体相扩散的相互作用位能面,并根据计算结果探讨了其微观机理.     

锂(100)面上H_2H+H反应动力学的理论研究

本文在H-Li(100)面吸附扩散的ab initio SCF势能面基础上构造了(H_2H+H)/Li(100)面相互作用的推广LEPS势能面,并用QCT方法研究了该体系的反应动力学行为。分析势能面特征得到:H_2在Li(100)面上的吸附无需活化能,H_2在Li(100)面上的解离吸附与吸附位及吸附模式密切相关,H_2的卧式解离比立式解离要容易得多。分析各种碰撞轨迹得到:低覆盖度下双氢原子的表面复合几率很小,H_2的表面解离几率受到H_2振动量子数的控制。本文构造了一种适合于动力学研究的气体-金属表面相互作用势能面,并且,动力学QCT计算结果能够对H_2表面活化的分子束实验作出合理的解释。     

甲硫醇在Cu(111)表面的解离吸附: 密度泛函理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法和平板模型研究了CH₃SH分子在Cu(111)表面的吸附反应.系统地计算了S原子在不同位置以不同方式吸附的一系列构型, 第一次得到未解离的CH₃SH分子在Cu(111)表面顶位上的稳定吸附构型,该构型吸附属于弱的化学吸附, 吸附能为0.39 eV. 计算同时发现在热力学上解离结构比未解离结构更加稳定. 解离的CH₃S吸附在桥位和中空位之间, 吸附能为0.75-0.77 eV. 计算分析了未解离吸附到解离吸附的两条反应路径, 最小能量路径的能垒为0.57 eV. 计算结果还表明S―H键断裂后的H原子并不是以H₂分子的形式从表面解吸附而是以与表面成键的形式存在. 通过比较S原子在独立的CH₃SH分子和吸附状态下的局域态密度, 发现S―H键断裂后S原子和表面的键合强于未断裂时S原子和表面的键合.     

乙腈溶液中银电极的表面增强拉曼光谱研究

利用共焦显微拉曼系统研究了非水体系0.1mol·L^-1LiClO4/CH3CN溶液中,乙腈分子在粗糙银和金电极表面的吸附和解离行为。结果表明非水体系中乙腈可在银、金表面发生还原反应,产物CN^-离子与电极表面作用形成的表面配合物可以较宽的电位区间吸附于电极表面。溶液中的微量水、激光照射以及电极电位均对该反应有较大的影响。通过拉曼谱图的比较,得出乙腈分子解离出的CN^-在金电极表面比在银电极表面有更强的吸附作用。     

近期热点文章

由于动力学速率快,析氢反应是CO2电催化还原的竞争反应,抑制H2O活化是催化剂设计的重要思路。厦门大学王野教授及其合作者合成了一种硫掺杂的铟催化剂(S-In),将H2O分子活化控制在解离吸附生成吸附氢原子H^*的步骤(即Volmer反应),并协同催化CO2还原。DFT计算In表面的S2-通过库仑力形成S^2-K+(H2O)n网络,促使H2O解离吸附生成H^*(速率控制步骤),H^*与In表面吸附的CO;反应生成HCOO^*中间体,得到一个电子后生成甲酸,在93%的选择性下,甲酸生成速率可达1449μmol·h^-1·cm^-2,创历史新高。该工作论证了H2O分子活化在CO2还原中的重要性,且可拓展至硒、碲等氧族元素和铋和锡等p区金属。     

金电极析氢反应过程中吸附氢原子的表面扩散及复合反应动力学研究

用特别设计的以平面金电极为工作电极,以Nafion膜为固体电解质的实验装置,对金电极析氢反应过程中吸附氢原子的表面扩散及吸附氢原子复合为氢分子的反应进行了定量研究,发现吸附氢原子在金表面上的扩散及复合反应引起了电流增加.对这一随时间变化的电流增加数据进行计算机模拟和数值拟合,得到金电极析氢反应中吸附氢原子的表面扩散系数、复合反应常数及其它动力学参数,并对数据进行了讨论.     

动力学、热力学和活化能在花生壳吸附铅离子实验中的应用

以花生壳为吸附剂、Pb2+为模拟污染物研究了物理化学中固体表面的吸附过程,考察了Pb2+的初始浓度、吸附温度的影响,研究了固体表面吸附反应动力学、热力学和活化能。结果表明:在不同Pb2+初始浓度下,Pb2+在花生壳表面的吸附动力学符合准二级动力学模型,表明该吸附过程是化学吸附为控制步骤的吸附过程。热力学结果表明Pb2+在花生壳表面的吸附是一个自发的放热过程,因为Pb2+由三维运动转变为二维运动导致系统熵减小。活化能Ea=31.35 kJ·mol-1再次证明Pb2+在花生壳表面的吸附是化学吸附过程,这些结果较好地验证了物理化学教学中固体表面的吸附行为。通过该拓展实验加深了学生对固体表面吸附过程的理解,同时,培养了学生的科技创新能力。     

金属态原子电负性的计算及应用(II)

利用修正后的Ｐａｕｌｉｎｇ计算单键键能的公式对Ｈ２、Ｏ２、ＣＯ双原子分子在某些过渡金属上解离吸附参数（包括活化吸附热，金属－吸附物种表面键能）进行了计算，获得了丰富的表面键能量参数数值，弥补了实验数据的不足。从而，为在一定程度上帮助人们从分子微观动力学的角度认识催化反应的实质，提供了较为可靠的理想依据。     

Cu-ZnO催化剂上水活化的第一性原理研究

采用密度泛函理论计算研究了水在Cu-ZnO催化剂表面上不同位点的解离过程. 结果发现, 水在纯Cu密堆积面和台阶面解离能垒都较高; 而在负载的ZnO薄膜上, 由于水解离过程能垒较低并且反应约为热中性, 水将会在表面上部分解离并达到动力学平衡. Cu-ZnO界面被确定为水解离的活性中心. 水解离后产生的H原子和羟基均可以较大吸附能吸附在界面处, 并且界面处的类似台阶结构大大降低了解离能垒, 从而使得水的解离可自发进行. 另外, H原子和羟基在ZnO薄膜表面可以较低的能垒扩散, 因此水解离活性位点可以持续催化后续解离过程. 该结果深化了对水在Cu-ZnO催化剂表面活化过程的认识.     

铂单晶电极表面不可逆反应动力学──Ⅰ.Pt(100)单晶电极上甲酸氧化的现场红外反射光谱研究

运用电化学暂态方法和现场时间分辨FTIR反射光谱研究甲酸在Pt（100）单晶电极上的解离吸附和氧化过程．深入认识了甲酸解离吸附的反应速率在-0．25至0．25V电位区间呈火山形变化的规律．根据电化学现场时间分辨红外光谱的研究结果，提出在研究反应动力学时避免甲酸解离吸附干扰的方法，为进一步研究甲酸在Pt（100）电极表面经活性中间体直接氧化至CO2的反应动力学奠定了基础．     

铂单晶电极表面不可逆反应动力学I.Pt(100)单晶电极上甲酸氧化的现场红外反射光谱研究

运用电化学暂态方法和现场时间分辨ＦＴＩＲ反射光谱研究甲酸在Ｐｔ（１００）单晶电极上的解离吸附和氧化过程,深入认识了甲酸解离吸附的反应速率在－０．２５至０．２５Ｖ电位区间呈火山形变化的规律。根据电化学现场时间分辨红外光谱的研究结果,提出在研究反动力学时避免甲酸解离吸附干扰的方法,为进一步研究甲酸在Ｐｔ（１００）电极表面经活性中间体直接氧化至ＣＯ２的反应动力学奠定了基础。     

金属态原子电负性的计算及应用(Ⅱ)

利用修正后的Pauling计算单键键能的公式对H2、O2、CO观原子分子在某些过渡金属上解离吸附参数（包括活化吸附热，金属-吸附物种表面键能）进行了计算，获得了丰富的表面键能量参数数值，弥补了实验数据的不足．从而，为在一定程度上帮助人们从分子微观动力学的角度认识催化反应的实质，报供了较为可靠的理论依据．     

阴离子特性吸附和Pt(111)电极表面结构对乙二醇解离吸附动力学的影响

运用电化学循环伏安和程序电位阶跃方法研究了阴离子特性吸附和Pt(111)电极表面结构对乙二醇解离吸附反应动力学的影响. 结果表明, 阴离子特性吸附显著影响乙二醇的解离吸附, 在高氯酸介质中(无特性吸附)测得乙二醇解离吸附反应的初始速率vi以及解离吸附物种(DA)的饱和覆盖度均明显大于硫酸溶液(发生SO2-4/HSO-4特性吸附)中的相应值; 其平均速率v随电极电位的变化呈类似火山型分布, 最大值位于0.22 V(vs SCE)附近. 还发现通过不同处理获得的Pt(111)电极的不同表面结构对这一表面过程也具有显著的影响.     

过渡金属表面上水生成经典Horiuti-Polanyi机理与非Horiuti-Polanyi机理选择的总体趋势（英文）

在非均相催化加氢反应中,氢气(H2)一直被公认为是通过两步基元步骤参加还原反应的,包括第一步的分子解离和之后的反应物与原子氢键合,即所谓的Horiuti-Polanyi(HP)机理.直到我们研究组在Ag或Au催化丙烯醛加氢还原反应理论研究中发现非HP机理加氢路径存在时,新的机理才被提出,并引起广大研究者的浓厚兴趣.考虑到表面羟基(OH)和氧(O)在非均相催化体系中广泛存在,如常见的过渡金属催化的费托合成、甲烷重整、水汽转化及氨氧化等反应,基于第一性原理的密度泛函理论计算方法,我们对OH/O在一系列过渡金属催化作用下还原生成水的微观机理进行了系统全面的探究.研究发现,不同金属对应于不同的催化氢化反应活性,以及不同的催化反应机理.在某些金属上H2以分子形式进攻反应物种的非HP机理有利,而在其它金属上经典的H2解离后参与氢化还原反应的HP机理更容易发生.详细分析显示, H2的解离活性决定了反应机理的种类:在对H2解离具有催化活性的金属(如Pt、Ni)表面,不论是(211)台阶面还是(111)平面, H2解离几乎都是无能垒过程,且伴随氢原子的强吸附,反应放热明显,导致活泼金属上HP机理更容易发生;与之相反,在不活泼的催化剂表面, H2解离很难发生,原子吸附也相当微弱,相比于断键裂解, H2更倾向于发生分子氢化的非HP机理.另外,本文还定义了一个新的结构描述符(η)来帮助理解两种机理发生的结构因素差异.η是衡量分子氢化过渡态结构(TS)中H–H键解离程度的参数,根据其定义上下限数值分别设定为H2在各催化剂表面解离过渡态的键长(Ddis)和游离分子态的键长(DH2).结果显示,易发生非HP机理的催化剂表面的TS结构对应的η参数普遍低于0.4,即H–H原子对的确是以近分子形式参与氢化反应;相反发生经典HP机理的催化剂表面,η参数普遍在0.5–0.8,即H–H即使以分子形式参与反应也是处于近解离状态,这预示了以解离吸附氢参与反应的优选性.     

功函数测量研究氧与银和银-钯合金表面的相互作用

在超高真空条件下, 采用电子束阻挡势技术测量固体表面功函数连续变化, 并与AES, TDS等手段相配合, 研究了氧在Ag和Ag-Pd合金表面的吸附和脱附动力学。结果表明, 在Ag和Ag-Pd合金表面的两种不同的氧吸附态, 具有相反的电荷转移效应, 未解离的分子态吸附降低了表面功函数, 而解离的原子态氧吸附使表面功函数明显升高。与纯银相比, 氧在银钯合金表面吸附具有较小的粘附系数和较大的偶极矩。银钯合金组成变化时功函数和AES的连续测量表明, 表面结构从无序向有序转变和表面银偏析均为功函数降低过程。     

H在Mg(0001)表面吸附、解离和扩散的第一性原理研究

采用基于密度泛函的第一性原理方法, 同时结合Nudged Elastic Band方法, 系统研究了H2分子和H原子在Mg(0001)表面的吸附过程. 给出了H2分子的解离路径和势垒, 结果表明H2分子的吸附过程中仅存在物理吸附; 在给出H原子在Mg(0001)表面的吸附势能面的基础上, 进一步研究了H原子在Mg(0001)表面及体内的扩散过程. 计算发现, Mg(0001) slab存在表面效应, 且对H原子的表面扩散影响较明显. 在此基础上, 通过比较解离、扩散和放氢环节的激活能数据, 为H2分子的解离和氢化物的放氢过程是速控步骤这一结论提供了理论支持.     

SIESTA程序在物理化学教学中的应用

根据物理化学学科的特点和学生的知识难点,探讨SIESTA程序在物理化学有关微观反应动力学方面的应用,将表面化学和分子反应动力学融入到O2在金属表面吸附解离课题,以加深学生在分子水平上对于化学反应的理解。     

粗糙铂电极上甲酸吸附氧化的电化学原位表面增强拉曼光谱研究

采用循环伏安法和电化学原位表面增强拉曼光谱（SERS）技术研究甲酸的解离 及附与氧化行为。首次报道了甲酸吸附、解离和氧化的电化学原位SERS谱，发现甲 酸在粗糙铂电极上能自发解离吸附；首欠成功地获得了粗糙铂电极上甲酸吸附解离 的强吸附中间体CO和活性中间体COOH的表面增强拉曼光谱，同时首次检测到甲酸氧 化最终产物CO_2的拉曼光谱信号，从分子水平证实甲酸解离吸附反应的双途径机理 。