Au_n团簇催化水煤气变换反应机理的密度泛函理论研究

利用密度泛函理论(DFT)研究了Au10、Au13和Au20三类团簇的稳定性和对水煤气变换(WGSR)反应的催化活性,考察了各物质在Aun团簇上的吸附行为和微观反应机理。结果表明,三类Aun团簇的稳定性顺序为Au10Au13Au20,而Aun团簇中电子离域性及吸附能力大小趋势为Au13Au10Au20。在三类Aun团簇上,水煤气变换反应的控速步骤均为H2O的解离,但其反应机理路径有所不同。Au10团簇上为羧基机理,COOH*中间体直接解离;Au13团簇上为氧化还原机理,两个OH*发生歧化反应;Au20团簇上为羧基机理,COOH*和OH*发生歧化反应。通过对三类团簇上的最佳反应路径进行比较发现,Au13团簇在低温下具有较好的催化活性。     

二元铜族团簇负离子催化CO氧化反应机理

用密度泛函理论B3LYP方法研究了二元铜族团簇负离子AuAg^-, AuCu^-和AgCu^-催化CO氧化反应的详细机理. 计算结果表明: CO在混合团簇中的吸附位顺序为Cu>Au>Ag; O₂也优先吸附到Cu上, 其次为Ag, 最难的为Au; 另外, O₂分子较CO分子易于吸附到混合团簇上. CO氧化反应有三条反应通道, 在热力学和动力学上均容易进行. AuAg-团簇催化CO氧化反应的最优反应通道为CO插入AuAgO₂^-中的Ag―O键形成中间体[Au―AgC(O―O)O]^-, 然后直接分解形成CO₂和AuAgO^-, 或另一个CO分子进攻中间体[Au―AgC(O―O)O]^-形成两分子的CO₂和AuAg^-. 而AuCu^-和AgCu^-催化CO氧化反应的最优反应通道为CO和O₂共吸附到团簇上,然后形成四元环中间体,最后四元环中间体分解形成产物或另一个CO分子进攻四元环中间体从而形成产物. 第二个CO分子的协同效应不明显. AuAg^-和AuCu^-对CO氧化反应催化活性强于Au₂^-团簇, 因此, Ag和Cu掺杂可以提高金团簇的催化活性, 与之前实验研究结果一致.     

Cu_2O(111)催化水煤气变换反应机理的理论研究

采用密度泛函理论结合周期平板模型方法系统地研究了水煤气变换反应在Cu_2O(111)表面上的反应机理,包括氧化还原机理、羧基机理和甲酸根机理.结果表明,在Cu_2O(111)表面,羧基机理和甲酸根机理均可行,且甲酸根机理更为有利,其最佳反应途径为H_2O~*→H~*+OH~*;CO(g)+H~*+OH~*→trans-HCOOH~*(1)→cis-HCOOH~*→CO_2~*+H_2(g).其中trans-HCOOH~*(1)→cis-HCOOH~*为其决速步,该基元反应的能垒仅为59 kJ·mol~(-1).羧基机理的最优反应路径同样是以H_2O的解离反应开始,随后CO(g)+OH~*→cis-COOH~*→trans-COOH~*→CO_2(g)+H~*,最后产生的两个吸附的H原子先迁移再结合生成H_2,整个反应的控速步骤为H原子的迁移,迁移能垒为96 kJ·mol~(-1).氧化还原机理则由于OH解离需要越过一个很高的能垒(254 vs.187 kJ·mol~(-1))而不可行.     

Cu催化水煤气的变换反应机理

采用密度泛函理论(DFT), 对Cu催化水煤气变换反应三种可能的微观机理进行了理论研究. 在GGA-PW91理论水平下优化了反应通道上各驻点(反应物、中间体、过渡态和产物)的几何构型, 并通过频率分析对过渡态进行了验证. 研究结果表明, 甲酸根机理的可能性最小, 羧基机理与氧化还原机理的可能性较大, 且与氧化还原机理相比, 羧基机理因在反应过程中有中间体COOH(s)生成, 且它与OH(s)发生歧化反应仅需越过3.8 kJ·mol-1的活化能垒, 所以反应更易遵循这条路径进行.     

Cu-Pt-Au三元合金催化水煤气变换反应的密度泛函研究

利用密度泛函理论（DFT）研究了不同掺杂量的Cu-Pt-Au催化剂性质及水煤气变换反应（WGSR）在催化剂表面上的反应机理。首先对Cu-Au和Pt-Au二元催化剂的稳定性和电子活性进行研究,发现Pt-Au催化剂的协同效应较优,稳定性更优,结合能为77.15 eV,d带中心为-3.18 eV。当将Cu继续掺杂到Pt-Au合金中构成Cu-Pt-Au三元催化剂时,Cu₃-Pt₃-Au（111）结合能为77.99 eV,且d带中心为-3.05 eV,表明其具有较优的稳定性和电子活性。探讨了WGSR在Cu₃-Pt₃-Au（111）上的反应历程,氧化还原机理因CO氧化的能垒达到4.84 eV而不易进行。CHO和COOH两个中间体为竞争关系,且形成CHO中间物时的能垒较小,因此,反应相对容易按照甲酸机理进行。     

Cu_2~-催化CO氧化反应机理的理论研究

用量子化学密度泛函方法详细研究了双原子铜阴离子Cu-2催化CO氧化形成CO2反应在气相中机理.在UB3LYP结合混合基组水平上,优化了所有反应物,中间体,过渡态和产物的几何构型,并进行了振动分析和波函数稳定性测试.计算结果表明最可能反应通道为CO和O2共吸附到Cu-2,然后形成四元环中间体,最后四元环中间体分解形成产物或另一分子CO进攻四元环中间体从而形成产物.第二个CO分子的协同作用比较小,能垒仅相差0.02eV.最难进行的反应通道为CO从Cu2O-2摘取氧原子形成CO2.Cu-2催化CO氧化反应活性比Au-2好.     

团簇CrPS4催化性质研究

为了探究团簇CrPS₄的催化反应活性,研究其在催化方面的潜能,本文根据拓扑学原理,利用密度泛函理论,采用B3LYP泛函和def2-tzvp基组,分析了该团簇16种稳定构型的贡献率、费米能级、能隙差、态密度等方面的数据,得出以下结论：在这16种构型中,构型5^（2）的能隙差最小,电子最容易发生跃迁。构型5^（2）和构型4^（2）的催化反应活性较强,值得深入研究。团簇CrPS₄失电子能力要略强于得电子能力,S对HOMO-LUMO轨道的贡献率最大,分别为66.98%和63.93%,Cr、P原子次之,S为此团簇潜在的反应活性位点。本文丰富了团簇CrPS₄在催化方面的研究内容,为以后的应用提供了理论基础。     

Fe3O4(111)面上的水煤气变换反应机理

水煤气变换是一重要的制备氢气的反应, 采用密度泛函理论(DFT), 对水煤气变换反应在Fe₃O₄ (111)面上的催化反应作了深入研究. 结果表明: 氧化还原机理的活化能明显高于结合机理的活化能, 中间步骤应以结合机理进行|氢原子结合生成氢气为整个反应的速控步骤, 理论计算其活化能与水煤气变换实验数据一致, 高达1.29 eV, 还对迄今有关水煤气变换机理研究中的各种实验现象作了合理的解释, 并对Fe₃O₄ (111)催化剂的改性设计作了讨论.     

Au4团簇上甲酸分解反应机理的理论研究

采用密度泛函理论方法对Au4团簇上甲酸分解反应的反应机理进行了研究,并考察了Au4团簇的两个催化活性位点。在路径Ⅰ和路径Ⅱ中,HCOOH分解的产物是CO2和H2。在路径Ⅲ和路径Ⅳ中,HCOOH分解的最终产物为CO和H2O。此外,本文研究了CO2、H2和CO、H2O两种产物的相互转化,即路径Ⅴ和路径Ⅵ。研究结果表明,路径Ⅰ和路径Ⅱ的活化自由能垒较低,即在Au4团簇上HCOOH更易分解得到CO2和H2,此外两种产物之间不容易转化。进一步研究发现团簇的大小及CeO2载体对HCOOH分解脱氢路径的活化自由能垒有一定的影响。     

团簇Fe4P异构化反应的理论研究

采用B3LYP泛函以及程序内置的LANL2DZ基组并结合拓扑学原理,运用Gaussian 09程序对团簇Fe4 P的16种初始构型进行优化,得到8种优化构型.依据过渡态理论,从化学热力学和动力学方面对团簇Fe4 P的异构化反应进行研究,结果表明:二重态构型的稳定性最大且自旋多重度会影响团簇Fe4 P异构化转化的反应程度...     

Dual Metal Active Sites in an Ir1/FeOx Single-Atom Catalyst: A Redox Mechanism for the Water-Gas Shift Reaction

Herein, we report a theoretical and experimental study of the water-gas shift (WGS) reaction on Ir₁/FeO_x single-atom catalysts. Water dissociates to OH* on the Ir₁ single atom and H* on the first-neighbour O atom bonded with a Fe site. The adsorbed CO on Ir₁ reacts with another adjacent O atom to produce CO₂, yielding an oxygen vacancy (O_vac). Then, the formation of H₂ becomes feasible due to migration of H from adsorbed OH* toward Ir₁ and its subsequent reaction with another H*. The interaction of Ir₁ and the second-neighbouring Fe species demonstrates a new WGS pathway featured by electron transfer at the active site from Fe³⁺−O⋅⋅⋅Ir²⁺−O_vac to Fe²⁺−O_vac⋅⋅⋅Ir³⁺−O with the involvement of O_vac. The redox mechanism for WGS reaction through a dual metal active site (DMAS) is different from the conventional associative mechanism with the formation of formate or carboxyl intermediates. The proposed new reaction mechanism is corroborated by the experimental results with Ir₁/FeO_x for sequential production of CO₂ and H₂.     

前体法制备铜锰催化剂及其变换反应催化性能的研究

采用水热法合成出碱式醋酸铜（Cu2（OH）3（OCOCH3）.H2O）,以碱式醋酸铜为前体,经离子交换、焙烧制得铜锰催化剂.利用XRD、SEM/TEM、FT-IR、TG/DTA、低温氮气吸脱附、TPR等对样品进行表征,并考察了铜锰催化剂在水煤气变换反应中的催化性能.结果表明,所合成的碱式醋酸铜为典型层状化合物,其层间距为0.93 nm,经MnO4-离子交换后,层间距变为0.74 nm.不同焙烧温度的离子交换产物经变换反应后主相均为单质铜,随焙烧温度的升高,铜的结晶度逐渐增加,1 000℃时铜的结晶度减小,1 000℃样品的催化活性显著高于其它温度焙烧的样品,且热稳定性良好.     

低汽气比LB型中温变换催化剂上水煤气变换反应的动力学研究

 采用微型等温积分反应器,在3 MPa,598～728 K以及气体组成(摩尔分率)为CO 0.066～0.139,CO2 0.041～0.1,H2 0.262～0.457,H2O 0.217～0.386和N2 0.077～0.271的条件下,对国产LB型低汽气比中温变换催化剂的动力学特性进行了系统的研究. 对基于一级反应模式、二级反应模式和幂函数经验式的三种变换反应动力学模型,以Simplex-Gauss-Newton复合法估计了相应的模型参数. 数理统计检验结果表明,三种动力学模型在统计学意义上均是可信的. 进一步的工业应用检验表明,由于结构上的不同,当用于非等温工业反应器性能分析时,三种模型预报的结果具有明显差异,相比之下,幂函数型动力学方程更适宜于描述LB型变换催化剂的动力学特性. 因此,由等温实验数据和传统的数理统计检验获得的动力学模型具有不确定性,为使动力学模型的应用更为可靠,对所建立的动力学模型进行工业应用检验是必要的.     

低温水煤气变换催化剂Cu/ZrO_2的制备、表征与性能

以水热法制得的纯单斜相ZrO2为载体,采用沉积沉淀法制备了一系列具有良好水煤气变换反应活性的Cu/ZrO2催化剂.并通过X射线粉末衍射、N2物理吸附、H2程序升温还原、X射线荧光元素分析、高分辨透射电镜和扫描电镜等手段考察了制备参数对Cu/ZrO2催化剂结构的影响,探讨了其结构与性能的关系.结果表明,CuO负载量、沉淀温度、沉淀剂种类和焙烧温度均在一定程度上影响了催化剂活性组分的晶粒大小、分散状态、织构性质及载体与活性组分间的相互作用,从而影响催化剂活性.催化剂制备的适宜条件为:CuO负载量25%,沉淀温度65oC,KOH为沉淀剂,在H2气氛300oC焙烧2h.     

ZnO负载纳米金催化剂上的低温水煤气变换反应

 系统考察了各种制备参数对ZnO负载的纳米金催化剂上低温水煤气变换反应性能的影响. 结果表明,不同的制备方法、沉淀剂种类、焙烧温度及金负载量均对催化剂的催化性能有较大的影响. 以Na2CO3为沉淀剂,采用共沉淀法,经240 ℃焙烧制备的金含量为5%的样品上表现出最佳的低温水煤气变换反应性能. X射线衍射、N2吸附和透射电镜测试结果表明,制备参数的变化会影响金物种的分散状态、载体的粒径或比表面积的大小,从而影响催化剂的催化活性. 适量氯离子的存在对催化剂活性也有明显的促进作用.     

铜锰盐前驱体对铜锰催化剂变换反应活性的影响

以硝酸铜锰、硫酸铜锰、醋酸铜锰和氯化铜锰盐为前驱体,采用共沉淀法制备了铜锰催化剂,利用XRD、TPR、STPR(表面氧化程序升温还原)、TPD和XPS等对样品进行了表征,并考察了其水煤气变换反应催化性能。结果表明,所制备的催化剂主晶相均为尖晶石结构的Cu1.5Mn1.5O4金属固溶体,经变换反应后均被还原分解为Cu和Mn 2O,其中以醋酸铜锰盐制备得到的样品出现了较为明显的MnCO3特征衍射峰。醋酸铜锰盐制备的样品因单质铜和氧化锰协同效应良好,可显著增加对CO2的吸附能力,提高其表面铜的分散性,具有良好的热稳定性和低温变换反应活性。以硝酸铜锰盐制备的样品在400-450℃维持了较高的热稳定性及催化活性,但在300℃以下CO转化率明显下降,而以硫酸铜锰盐及氯化铜锰盐制备的样品在200-450测试温区内催化性能较差。     

Theoretical Study of the Water-Gas Shift Reaction Catalyzed by Tungsten Carbonyls

A density functional theory calculation has been carried out to investigate the mechanism of W(CO)₆ and W₂(CO)₁₀ catalyzed water-gas-shift reaction (WGSR). The calculations indicate that the bimetallic catalyst (W₂(CO)₁₀) would be likely to be more highly active than the mononuclear metal-based catalyst (W(CO)₆) due to the possibility of metal–metal cooperativity in reducing the barriers for the WGSR. The energetic span model is a tool to compute catalytic turnover frequencies (TOFs) which is the traditional measure of the efficiency of a catalyst. The one with the highest efficiency usually gives the highest TOF. The bimetallic catalyst (W₂(CO)₁₀) exhibits high catalytic activity towards WGSR due to the highest value of the calculated TOF (3.62 × 10^?12 s^?1, gas phase; 8.74 × 10^?15 s^?1, solvent phase⁾, which is higher than the value of TOF (8.96 × 10^?20 s^?1, gas phase; 3.96 × 10^?19 s^?1, solvent phase) proposed by Kuriakose et al. (Inorg Chem 51:377–385, 2012). Our results will be important for designing a better catalyst for the industrially important reaction.     

Dual Metal Active Sites in an Ir1/FeOx Single‐Atom Catalyst: A Redox Mechanism for the Water‐Gas Shift Reaction

Herein, we report a theoretical and experimental study of the water‐gas shift (WGS) reaction on Ir₁/FeO_x single‐atom catalysts. Water dissociates to OH* on the Ir₁ single atom and H* on the first‐neighbour O atom bonded with a Fe site. The adsorbed CO on Ir₁ reacts with another adjacent O atom to produce CO₂, yielding an oxygen vacancy (O_vac). Then, the formation of H₂ becomes feasible due to migration of H from adsorbed OH* toward Ir₁ and its subsequent reaction with another H*. The interaction of Ir₁ and the second‐neighbouring Fe species demonstrates a new WGS pathway featured by electron transfer at the active site from Fe³⁺?O???Ir²⁺?O_vac to Fe²⁺?O_vac???Ir³⁺?O with the involvement of O_vac. The redox mechanism for WGS reaction through a dual metal active site (DMAS) is different from the conventional associative mechanism with the formation of formate or carboxyl intermediates. The proposed new reaction mechanism is corroborated by the experimental results with Ir₁/FeO_x for sequential production of CO₂ and H₂.