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.     

Al_2_O3·Na_2O·xH_2O/NaOH/Al(OH)_3催化剂催化木质素水蒸气气化制氢研究(英文)

考察了催化剂Al2O3.Na2O.xH2O/NaOH/Al(OH)3催化木质素水蒸气气化制氢及其影响因素。结果表明,木质素气化的产氢速率随Na2O/C比值的升高而升高;木质素在较低的温度下气化时,较高的水蒸气流速有利于抑制CO和CO2的生成。产氢速率随水蒸气流速的增大而增大。催化剂中的铝酸钠水合物受热分解产生的水可导致催化剂中的NaOH组分产生更多的Na+和OH-离子。更多的Na+和OH-离子可使木质素中C—H键的键能更显著的降低。木质素在473 K~973 K气化的氢转化程度可达134.94%,这表明催化剂Al2O3.Na2O.xH2O/NaOH/Al(OH)3对木质素低温水蒸气气化制氢具有较好的催化活性。     

甲醇在Au(111)表面吸附的密度泛函研究

 采用基于第一性原理的密度泛函理论和周期平板模型相结合的方法,对CH3OH分子在Au(111)表面top, fcc, hcp和bridge位的吸附模型进行了构型优化、能量计算以及Mulliken布居分析,结果表明top位是较有利的吸附位. 吸附的CH3OH解离产生甲氧基CH3O和H, 对它们在Au(111)面的吸附进行的计算表明, bridge和fcc位分别是二者的最佳吸附位. 对过渡态的计算给出了CH3OH在Au表面解离吸附的可能机理: 首先发生 O-H 键的断裂,继而生成甲氧基中间体.     

水合Pb(OH)~+在高岭石(001)晶面的吸附机理(英文)

采用密度泛函理论广义梯度近似平面波赝势法,结合周期平板模型,探讨了水体环境中Pb(OH)+在高岭石铝氧八面体(001)晶面的吸附行为和机理,确定了吸附配合物的结构、配位数、优势吸附位和吸附类型.结果表明,Pb(II)与高岭石铝氧(001)面的氧原子形成单齿或双齿配合物,其配位数为3-5,均为半方位构型.高岭石表面存在含"平伏"氢原子的表面氧(Ol)位和含"直立"氢原子的氧(Ou)位,后者更易与Pb(OH)+单齿配位,该吸附配合物具有较高的结合能(-182.60 kJ·mol-1),为优势吸附物种;高岭石表面位于同一个Al原子上的"OuOl"位可形成双齿配合物.表面Ol与水分子配体形成氢键,对配合物的稳定性起到关键作用.Mulliken布居和态密度分析表明,高岭石单齿配合物中Pb―O成键机理主要为Pb 6p轨道与Pb 6s―O 2p反键轨道进行耦合,电子转移到反键轨道.双齿配合物"Pb―Ol―H"共配位结构中,受配位氢原子影响,Pb―Ol成键过程成键态电子填充占主导地位.     

Al(Ⅲ)盐水解聚合过程中Al5和Al9的制备及初步表征

采用铝粉、水合氯化铝和水为原料,通过调整反应温度、原料配比及溶液碱化度,经蒸发、结晶制备了铝盐水解聚合产物中的2种中间产物,即水合氯化五聚铝AlCl3·4Al(OH)3·7.5H2O和水合氯化九聚铝2AlCl3·7Al(OH)3·18H2O分别采用粉末XRD物相分析、化学分析和IR光谱对其进行了表征. 以化学分析为主要监测手段,对AlCl3·4Al(OH)3·7.5H2O和2AlCl3·7Al(OH)3·18H2O的形成过程进行了研究. 结果表明,随温度的变化反应基本上是一个可逆的过程,75 ℃是AlCl3·4Al(OH)3·7.5H2O和2AlCl3·7Al(OH)3·18H2O析出的最佳温度,该温度下产物的结晶状态良好,其纯度分别可达99.57%和88.68%.     

Ni(OCH3)2/SiO2催化剂的制备及其合成碳酸二甲酯的反应性能

采用表面改性和离子交换相结合的方法，制备了负载型单核金属甲氧基配合物Ni(OCH3)2/SiO2催化剂。利用IR、TPD、TPSR和微反技术，考察了催化剂的表面结构以及CO2、CH3OH在催化剂表面上的化学吸附和反应性能。结果表明，负载型单核金属甲氧基配合物Ni(OCH3)2/SiO2中，Ni^2 与载体SiO2表面的O^2-以双齿形式配位；在催化剂表面存在CO2的桥式吸附态和甲氧碳酸酯基物种两种吸附态，CH3OH则只有一种分子吸附态。在373-473K条件下，CO2和CH3OH在催化剂上的反应物主要是DMC、H2O以及少量的CO、CH4和CH2O，催化剂的活性由表面甲氧碳酸酯基物种与分子吸附态甲醇的反应决定的。讨论了催化剂上CO2和CH3OH的活化过程及吸附态的形成机理。     

铌改性的Pd/Al_2O_3催化剂催化苯燃烧反应

采用浸渍法制备了Nb改性的Pd/Al2O3催化剂,考察了该催化剂催化苯燃烧反应性能,并研究了催化剂的稳定性.结果表明,Nb的添加明显提高了Pd/Al2O3催化剂性能,在195℃时苯转化率达到90%,苯的完全燃烧温度降低了40℃.采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、H2程序升温还原(H2-TPR)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)和氮气吸附等手段对催化剂进行了表征,结果表明,Nb的加入不仅提高了Pd物种的分散度,同时改变了部分Pd的价态,形成适宜反应的PdO-Pd物种,并促进了催化剂表面氧浓度的增加,使氧物种氧化能力增强,从而提高了催化性能.1%Pd-5%Nb/Al2O3催化剂的催化活性高于2.0%Pd/Al2O3催化剂.     

铌改性的Pd/Al2O3催化剂催化苯燃烧反应简

采用浸渍法制备了Nb改性的Pd/Al2O3催化剂,考察了该催化剂催化苯燃烧反应性能,并研究了催化剂的稳定性. 结果表明,Nb的添加明显提高了Pd/Al2O3催化剂性能,在195 ℃时苯转化率达到90%,苯的完全燃烧温度降低了40 ℃. 采用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、透射电子显微镜(TEM)、H2 程序升温还原(H2-TPR)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)和氮气吸附等手段对催化剂进行了表征,结果表明,Nb的加入不仅提高了Pd物种的分散度,同时改变了部分Pd的价态,形成适宜反应的PdO-Pd物种,并促进了催化剂表面氧浓度的增加,使氧物种氧化能力增强,从而提高了催化性能. 1%Pd-5%Nb/Al2O3催化剂的催化活性高于2.0%Pd/Al2O3催化剂.     

金属有机骨架材料MIL-53(Al)负载钴催化剂的CO催化氧化反应性能

采用溶剂法合成了热稳定性高的金属有机骨架材料MIL-53(Al)(MIL:Materials of Institut Lavoisier),用此材料为载体负载钴催化剂用于CO的催化氧化反应,并与Al2O3负载的钴催化剂进行了对比.采用热重-差热扫描量热(TG-DSC)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、X射线衍射(XRD)、N2物理吸附-脱附、透射电子显微镜(TEM)、氢气程序升温还原(H2-TPR)等方法对催化剂的结构性质进行了表征.TG和N2物理吸附-脱附结果表明,载体MIL-53(Al)有好的稳定性和高的比表面积;XRD以及TEM结果表明Co/MIL-53(Al)上负载的Co3O4颗粒粒径(平均约为5.03 nm)明显小于Al2O3上Co3O4颗粒粒径(平均约为7.83 nm).MIL-53(Al)的三维多孔结构中分布均匀的位点能很好地分散固定Co3O4颗粒,高度分散的Co3O4颗粒有利于CO的催化氧化反应.H2-TPR实验发现Co/MIL(Al)催化剂的还原温度低于Co/Al2O3催化剂的还原温度,低的还原温度表现为高的催化氧化活性.CO催化氧化结果表明,MIL-53(Al)负载钴催化剂的催化活性明显高于Al2O3负载钴催化剂,MIL-53(Al)负载钴催化剂在160°C时使CO氧化的转化率达到98%,到180°C时CO则完全转化,催化剂的结构在催化反应过程中保持稳定.     

沉淀温度对CuO/ZnO/Al2O3催化剂前驱体物相及催化水煤气变换反应活性的影响

 用X射线衍射、差热热重测定、程序升温还原、N2吸附、N2O滴定和常压微反活性评价技术考察了沉淀温度对CuO/ZnO/Al2O3系催化剂及其前驱体的物相和催化水煤气变换反应活性的影响. 结果表明,在沉淀温度为60～90 ℃时,催化剂前驱体中主要存在Cu2CO3(OH)2,(Cu,Zn)2CO3(OH)2和(Cu,Zn)6Al2(OH)16CO3·4H2O三种物相. 焙烧后的催化剂样品中形成了较多的CuO-ZnO固溶体,沉淀温度升高有利于CuO-ZnO固溶体的形成及催化剂活性的提高. 水煤气变换反应是一个非结构敏感型反应.     

Molecular dynamics simulations of surface oxide-water interactions on Pt(111) and Pt/PtCo/Pt3Co(111)

Classical molecular dynamics simulations of the interactions of water with oxidized Pt(111) and Pt/PtCo/Pt(3)Co(111) surfaces are performed by modeling water with the CF1 central force model that allows molecular dissociation and therefore the presence of other intermediates of the oxygen reduction reaction different from atomic oxygen. It is found that the water-surface oxide interactions do not affect the overall structure of the catalyst represented by an extended periodic slab. However, such interactions are affected by changes in the electrochemical potential which are simulated by higher values of the surface and atomic oxygen charges at increased oxygen coverage. Thus, electrochemical potential as well as the presence of protons and anions products of acid dissociation define the identity and the amount of oxygen reduction reaction intermediates such as OH or H(3)O. We observe agglomerations of water molecules over regions of the surface and the presence of OH and H(3)O in their vicinity. Our simulation model is able to qualitatively reproduce features of the degradation of the catalyst surface after oxidation and reduction cycles.     

Tuning the activity of Pt(111) for oxygen electroreduction by subsurface alloying

To enable the development of low temperature fuel cells, significant improvements are required to the efficiency of the Pt electrocatalysts at the cathode, where oxygen reduction takes place. Herein, we study the effect of subsurface solute metals on the reactivity of Pt, using a Cu/Pt(111) near-surface alloy. Our investigations incorporate electrochemical measurements, ultrahigh vacuum experiments, and density functional theory. Changes to the OH binding energy, ΔE(OH), were monitored in situ and adjusted continuously through the subsurface Cu coverage. The incorporation of submonolayer quantities of Cu into Pt(111) resulted in an 8-fold improvement in oxygen reduction activity. The most optimal catalyst for oxygen reduction has an ΔE(OH) ≈ 0.1 eV weaker than that of pure Pt, validating earlier theoretical predictions.     

负载型金基催化剂Au/Fe(OH)3催化苯乙烯环氧化反应

用共沉淀法制备了Au/Fe(OH)3催化剂, 以叔丁基过氧化氢为氧化剂, 考察焙烧温度和金担载量等对苯乙烯环氧化反应的影响. 结果表明, 催化剂的焙烧温度、金担载量对苯乙烯环氧化反应有较大影响. 在室温下直接合成的质量分数为4.67%的Au/Fe(OH)3催化剂对苯乙烯环氧化反应显示了很好的催化活性, 于80 ℃反应3 h苯乙烯的转化率达到84.1%, 环氧苯乙烷的选择性达到71.5%. 通过X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和Mössbauer分析, 发现催化剂的催化活性与金的价态及铁的化学存在状态有很大关系. 离子态Au3+与载体Fe(OH)3的协同作用对苯乙烯环氧化反应显示出很好的催化活性.     

Remote energy storage in Ni(OH)2 with TiO2 photocatalyst

Oxidative energy generated by UV-irradiated TiO2 photocatalyst was stored in Ni(OH)2 that was 12.5-50 microm apart from the TiO2. It is likely that active oxygen species generated on TiO2 diffused into the gas phase and oxidized Ni(OH)2. Loading the TiO2 with Pt accelerated the remote energy storage by an order of magnitude. It was revealed that the stored energy could be taken out and used chemically or electrochemically. The oxidized Ni(OH)2 was reduced by gaseous formaldehyde, formate, ethanol and H2O2.     

Water Oxidation Catalyzed by Cobalt(II) Adsorbed on Silica Nanoparticles

A novel, highly efficient, and stable water oxidation catalyst was prepared by a pH-controlled adsorption of Co(II) on ～10 nm diameter silica nanoparticles. A lower limit of ～300 s(-1) per cobalt atom for the catalyst turnover frequency in oxygen evolution was estimated, which attests to a very high catalytic activity. Electron microscopy revealed that cobalt is adsorbed on the SiO(2) nanoparticle surfaces as small (1-2 nm) clusters of Co(OH)(2). This catalyst is optically transparent over the entire UV-vis range and is thus suitable for mechanistic investigations by time-resolved spectroscopic techniques.     

C_6H_2(OH)_3CH_3氧化成羟基苯甲酸反应路径的DFT研究

运用密度泛函(DFT)理论,采用Materials Studio 8.0,用GGA/BP方法研究了C_6H_2(OH)_3CH_3氧化成羟基苯甲酸的反应路径。结果表明,甲基上的氢原子被氧化成羟基以及羟基被氧化为醛基及醛基被氧化成羧基均为放热过程。分子C_6H_2(OH)_3CH_3中甲基氧化成羧基的主路径为三个氢原子氧化反应路径,其路径为C_6H_2(OH)_3CH_3+3O→C6H2(OH)3C(OH)3→C6H2(OH)3COOH+H2O,该路径受限于羟基直接被氧化成羧基过程,需克服130 k J/mol的反应势垒,反应速率常数对数ln(k)为-22.96 s-1;醛基、羟基优先被氧化成羧基的顺序为:-CHO-C(OH)3-HC(OH)2-H2C(OH);提高反应温度、氧气浓度均有利于羟基苯甲酸的生成,适当的催化剂有利于促进整个反应的进行。     

甲醇在催化剂MgO（100）面上吸附的量子化学研究

本文用ＣＮＤＯ／２半经验最子化学计算方法对ＣＨ３ＯＨ分子在（ＭｇＯ）４（１００）面上的２８种可能的吸附态进行了优化计算，得到以ＣＨ３ＯＨ分子中－ＣＨ３取向吸附在（ＭｇＯ）４（１００）面的Ｏ＾－原子上，且为重叠式构型最稳态。此构型中由于－ＣＨ３上的三个氢原子形成结构适应的三氢正电集团与氧的静电作用的结果。从吸附态的能量及Ｍｕｌｌｉｋｅｎ集居数上分析得甲醇在ＭｇＯ催化剂上有利于形成ＣＨ４和ＣＯ，这一结     

构筑可控催化氧化性能催化剂用于醇的转化

通过金属离子替代的方法设计了催化氧化性能不同的Mg-Al-Ru-CO₃类水滑石、Co-Al-Ru-CO₃类水滑石和Ru-Co(OH)₂-CeO₂等三种催化剂. XRD实验表明钌部分替换制得的Mg-Al-Ru-CO₃和Co-Al-Ru-CO₃可保持水滑石的结构; 但用铈替代铝之后得到的Ru-Co(OH)₂-CeO₂催化剂无法保持水滑石的结构， 而是由氢氧化钴和二氧化铈的微晶组成. XPS 和Ru K-edge XAFS的测试结果证实Mg-Al-Ru-CO3催化剂中钌被等键长的6个氧原子包围， 该催化剂可有效地催化氧化醇类； Co-Al-Ru-CO₃催化剂中钌被两种键长不等的6个氧原子包围， 其中短键长的Ru═O是催化氧化性能增强的原因； Ru-Co(OH)₂-CeO₂催化剂中钌被两种键长不等的5个氧原子包围， 其对于各类醇均有高效的催化氧化性能， 原因归功于配位数少的钌物种.     

FeO(OH)-TiO2/CoPi复合光阳极的制备及其光电催化氧化水性能

采用溶胶-凝胶法制备了TiO₂ 纳米晶, 并通过浸渍技术在其表面引入了FeO(OH). 采用紫外-可见(UV-Vis)吸收光谱确定了引入FeO(OH)的最佳Fe³⁺浓度. 通过电化学法在FeO(OH)-TiO₂光阳极上沉积了催化水分解制备氧气的钴基催化剂(CoPi), 得到了FeO(OH)-TiO₂/CoPi 复合光阳极. 利用透射电镜(TEM), 高分辨透射电镜(HRTEM), X射线衍射(XRD), 扫描电镜(SEM)对TiO₂纳米晶, FeO(OH)-TiO₂以及FeO(OH)-TiO₂/CoPi复合光阳极进行了表征, 采用电化学和光电化学技术研究了中性条件下FeO(OH)-TiO₂/CoPi 复合光阳极的光电催化分解水性能. 结果表明, TiO₂纳米晶为梭形的锐钛矿, 其表面修饰的FeO(OH)为针铁矿型, 且当前驱体溶液中Fe³⁺与TiO₂的质量比为0.05%时得到的FeO(OH)-TiO₂具有最佳的光吸收效果. 形成FeO(OH)-TiO₂/CoPi复合光阳极后, 在光照条件下CoPi 电催化分解水制备氧气的过电位显著降低. TiO₂表面FeO(OH)的引入增加了光阳极对可见光的吸收能力, 同时光阳极表面沉积的CoPi有效地利用了FeO(OH)-TiO₂产生的光生空穴, 将水氧化形成氧气, 从而在光照条件下显著提高了CoPi催化氧化水的效率.     

Mechanism and Tafel lines of electro-oxidation of water to oxygen on RuO2(110)

How to efficiently oxidize H(2)O to O(2) (H(2)O → 1/2O(2) + 2H(+) + 2e(-)) is a great challenge for electrochemical/photo water splitting owing to the high overpotential and catalyst corrosion. Here extensive periodic first-principles calculations integrated with modified-Poisson-Boltzmann electrostatics are utilized to reveal the physical origin of the high overpotential of the electrocatalytic oxygen evolution reaction (OER) on RuO(2)(110). By determining the surface phase diagram, exploring the possible reaction channels, and computing the Tafel lines, we are able to elucidate some long-standing puzzles on the OER kinetics from the atomic level. We show that OER occurs directly on an O-terminated surface phase above 1.58 V vs NHE, but indirectly on a OH/O mixed phase below 1.58 V by converting first the OH/O mixed phase to the O-terminated phase locally. The rate-determining step of OER involves an unusual water oxidation reaction following a Eley-Rideal-like mechanism, where a water molecule from solution breaks its OH bond over surface Os with concurrent new O-OH bond formation. The free energy barrier is 0.74 eV at 1.58 V, and it decreases linearly with the increase of potential above 1.58 V (a slope of 0.56). In contrast, the traditionally regarded surface oxygen coupling reaction with a Langmuir-Hinshelwood mechanism is energetically less favored and its barrier is weakly affected by the potential. Fundamentally, we show that the empirical linear barrier~potential relation is caused by the linear structural response of the solvated transition state to the change of potential. Finally, the general strategy for finding better OER anode is also presented.