铜系催化剂上甲醇蒸气转化制氢过程的原位红外研究

 用原位红外光谱法跟踪研究了不同条件下铜系催化剂上甲醇蒸气转化制氢反应的初始开车过程．结果表明，反应过程中二氧化碳不是在一氧化碳之后产生的．可以推断，铜系催化剂上的甲醇蒸气转化制氢过程不是先进行甲醇分解为一氧化碳和氢气，然后一氧化碳和水蒸气发生变换反应生成二氧化碳和氢气．甲醇蒸气转化反应的主要过程是甲醇和水直接生成二氧化碳和氢气．     

KOH/4A分子筛催化剂对环氧丙烷、二氧化碳和甲醇合成碳酸二甲酯反应的催化性能

 首次开发出对环氧丙烷、二氧化碳和甲醇合成碳酸二甲酯反应具有较高活性和稳定性的KOH/4A分子筛固体催化剂,考察了反应温度和催化剂活性组分KOH的负载量等因素对催化剂性能的影响. 在优化的实验条件下,环氧丙烷可以完全转化,碳酸二甲酯的收率为168%. 从实验结果推测,产物碳酸二甲酯是由环氧丙烷和二氧化碳加成生成碳酸丙烯酯,然后与甲醇发生酯交换反应生成的,甲醇对环氧丙烷和二氧化碳合成碳酸丙烯酯反应具有助催化作用.     

光助燃料电池的研究进展

化石燃料的大量开采和利用所导致的能源与环境问题是当今社会可持续发展必须面对的两大挑战. 燃料电池通过电化学反应将燃料中的化学能直接转化为电能, 是目前清洁高效的可再生能源转化装置. 光助燃料电池将光响应成分引入到燃料电池中, 可以实现光能/电能和化学能/电能的双重转化, 从而有效提高能源利用效率, 是未来能源转化装置的发展方向, 在实际应用方面具有重要意义和广阔前景. 本文对光助燃料电池进行了简要综述, 重点介绍了我们小组近些年来在该领域的相关研究进展, 总结了目前存在的一些问题, 并对其发展趋势进行了展望.     

二氧化碳硅氢化及相关转化的均相催化体系研究进展（英文）

利用二氧化碳作为C1原料进行硅氢化转化,是可持续性催化合成的重要方法之一.该方法能够将二氧化碳转化为不同氧化水平的高值化学品,例如甲酸、甲醛、甲醇和甲烷等.此外,胺可在特定的催化体系中与二氧化碳和硅烷多组分反应,实现基于二氧化碳硅氢化的N—H键酰基化和烷基化等转化.近年来,二氧化碳硅氢化领域的相关研究取得了显著的进展.综述了近三年来应用于二氧化碳硅氢化的主要均相催化体系的研究进展,介绍和总结催化剂的设计和相关催化性能,包括贵金属催化、廉价过渡金属催化、稀土金属催化、主族金属催化和无金属催化等催化体系,并讨论和展望了目前二氧化碳硅氢化的研究现状和潜在挑战.     

甲基弯菌IMV3011细胞生物催化二氧化碳制甲醇

甲基弯菌IMV 3011可以催化二氧化碳生物转化生成甲醇.在细胞悬浮液中充入二氧化碳后,反应一段时间后在反应液中检测到了甲醇产生.但是甲烷氧化细菌细胞合成甲醇的能力受到了细胞内还原当量的限制.研究发现,细胞内贮存的聚-β羟基丁酸(PHB)分解后能够产生还原当量,可以提高甲醇的产生能力.本文通过改变培养基中氮和铜的起始浓度对PHB积累量进行调节来提高甲基弯菌IMV 3011还原二氧化碳生成甲醇的能力.结果表明,随着细胞内PHB含量的增加甲醇的产生能力也会增加.当细胞内PHB的积累量达到38.6%时,将二氧化碳还原成甲醇的能力最强.当PHB的积累量超过38.6%时细胞生成甲醇的能力反而降低.     

多相催化剂催化二氧化碳加氢合成甲醇的研究进展

近年来,随着空气中二氧化碳含量的不断升高,二氧化碳的催化转化在科研界和工业界受到了广泛关注.非均相催化的二氧化碳加氢合成甲醇是实现二氧化碳资源化利用的重要手段之一,具有良好的应用前景.本文系统概述了非均相催化二氧化碳加氢合成甲醇反应的近期研究进展,重点介绍了金属催化剂和金属氧化物催化剂,对反应机理进行了阐述,并对该领域仍待解决的问题和发展前景进行了展望.     

直接甲醇燃料电池催化剂的制备与表征综合化学实验

将学科前沿领域的科研成果转化为研究型综合实验，结合新清洁能源发展介绍了直接甲醇燃料电池催化剂的制备与表征。采用液相还原取代法制备铂纳米管，通过XRD、TEM、XPS对材料进行形貌和结构表征，并以氢氧化钾溶液为电解质测试铂纳米管催化剂的电化学性能。通过开设该实验，不仅让学生了解直接甲醇燃料电池关键催化剂制备的实验原理、合成方法及数据分析，还可以更好地锻炼学生综合实验的操作技能，在培养研究兴趣的同时提升创新思维和创新能力。     

电解醇制氢

发展了利用甲醇直接电解制氢这种经济的制氢方法, 实验结果表明电解甲醇制氢能够极大地降低电能消耗. 此方法的新颖之处在于方法简单和成本低. 将直接甲醇燃料电池膜电极作为电解装置, 可以达到任何规模的要求. 如果将这种电解装置与太阳能电池联用, 可非常经济地制氢及氢气储存, 或直接向燃料电池或其它化学工程装置供氢.     

MOFs限域Cu/ZnO_x超小纳米粒子催化CO_2选择加氢制甲醇

<正>随着近年来二氧化碳排放量急剧增加,有关二氧化碳作为碳资源利用的研究引起人们的广泛关注。将二氧化碳化学转化为高能量密度液体燃料或重要化学品如甲醇,是CO_2利用的理想方法之一。Cu/ZnO和Cu/ZrO_2是CO_2加氢制甲醇的重要催化剂,而金属与氧化物载体之间的界面结构在催化中起到了关键作用~1。在高温高压的反应条件下,催化剂颗粒生长和表面结构重组,易减少     

二氧化碳存在下甲烷氧化细菌催化甲烷生物合成甲醇

 在甲烷单加氧酶和脱氢酶系的作用下,甲烷氧化细菌Methylosinus trichosporium IMV 3011可以把甲烷氧化成二氧化碳. 在反应体系中充入一定比例的二氧化碳后,检测到了甲醇的积累. 混合气中CO2,CH4,O2和N2的体积比为2∶1∶1∶1时甲醇的积累量达到最大. 在超滤膜反应器中进行了连续反应,利用反应混合气产生的压力将生成的甲醇从反应体系中分离. 连续反应198 h后甲醇的积累量没有明显下降.     

Achieving Superior Electrocatalytic Performance by Surface Copper Vacancy Defects during Electrochemical Etching Process

Vacancy defects of catalysts have been extensively studied and proven to be beneficial to various electrocatalytic reactions. Herein, an ultra‐stable three‐dimensional PtCu nanowire network (NNW) with ultrafine size, self‐supporting rigid structure, and Cu vacancy defects has been developed. The vacancy defect‐rich PtCu NNW exhibits an outstanding performance for the oxygen reduction reaction (ORR), with a mass activity 14.1 times higher than for the commercial Pt/C catalyst (20 %.wt, JM), which is currently the best performance. The mass activity of the PtCu NNW for methanol oxidation reaction (MOR) is 17.8 times higher than for the commercial Pt/C catalyst. Density‐functional theory (DFT) calculations indicate that the introduction of Cu vacancies enhances the adsorption capacity of Pt atoms to the HO* intermediate and simultaneously weakens the adsorption for the O* intermediate. This work presents a facile strategy to assemble efficient electrocatalysts with abundant vacancy defects, at the same time, provides an insight into the ORR mechanism in acidic solution.     

CO2在Cu表面还原成碳氢化合物的DFT计算研究

应用密度泛函理论（DFT）反应能计算及最小能量路径分析研究了CO2在气相和电化学环境中于Cu(111)单晶表面的还原过程。气相中,CO2还原为碳氢化合物的反应路径可能为：CO2(g) + H* → COOH* → (CO +OH)* → CHO*;CHO + H* → CH2O* → (CH2 + O)*;CH2* + 2H* → CH4或2CH2* → C2H4。整个反应由CO2(g) + H* → COOH* → (CO +OH)*,(CO + H)* → CHO*和CH2O* → (CH2 + O)*等几个步骤联合控制。在-0.50V (vs RHE) 以正的电势下,CO2在Cu(111)表面电化学还原主要形成HCOO-和CO吸附物;随着电势逐渐负移,CO2加氢解离形成CO的反应越来越容易,CO成为主要产物;随电势进一步变负,形成碳氢化合物的趋势逐渐变强。与CO2的气相化学还原不同的是,电化学环境下CO质子化形成的CHO中间体倾向于解离形成CH,而在气相中CHO中间体则倾向于进一步质子化形成CH2O中间体。     

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.     

CO hydrogenation on stepped Cu and CuZn alloy surfaces: Competition between methanol synthesis and methanation pathways

Comprehensive fundamental understanding of CO hydrogenation reactions over Cu and ZnCu alloy surfaces is of great importance. Herein, we report a comparative DFT calculation study of elementary surface reaction network of CO hydrogenation reactions on stepped Cu(211), Cu(611), ZnCu(211) and ZnCu(611) surfaces. On ZnCu(211) and ZnCu(611) surfaces, the energetic favorable reaction path of CO hydrogenation reaction follows CO* → HCO* → H₂CO* → H₃CO* → CH₃OH* → CH₃OH with H₃CO* hydrogenation as the rate-limiting step and proceeds more facilely on ZnCu(611) surface than on ZnCu(211) surface. On Cu(211) and Cu(611) surfaces, the energetic favorable reaction path of CO hydrogenation reaction follows CO* → HCO* → HCOH* → H₂COH* → H₃COH* → CH₃* → CH₄* → CH₄ with H₂COH* hydrogenation as the rate-limiting step and proceeds more facilely on Cu(611) than on Cu(211). The key difference of CO hydrogenation reaction on ZnCu alloy surface and Cu is that the resulting CH₃OH* species desorbs to produce CH₃OH on ZnCu alloy but undergoes H*-assisted decomposition to CH₃* and eventually to CH₄ on Cu surface. These results successfully unveil elementary surface reaction networks and structure sensitivity of Cu and ZnCu alloy-catalyzed CO hydrogenation reactions.     

凹形树突状PtCu纳米催化剂的合成及对甲醇的电催化

以邻苯二胺为表面活性剂,通过水热釜法一步制备凹形树突状PtCu双金属纳米催化剂(PtCu NCDs)。PtCu NCDs在电催化甲醇氧化(MOR)的应用中表现出非常高的活性和很强的抗有毒中间体作用。PtCu NCDs对于甲醇氧化的质量活性为(0.53 A·mg^-1 Pt)是商业Pt/C(0.26 A·mg^-1 Pt)的2.04倍。从比活性的CV曲线图对比发现PtCu NCDs(1.07 mA·cm^-2)是商业Pt/C(0.55 mA·cm^-2)的1.95倍。而且,PtCu NCDs(2.76)比商业Pt/C催化剂(1.02)表现出更高的I_f/I_b比值。这些优异的电催化活性可能归功于PtCu NCDs特殊的凹形树突状形貌。     

PtxCuy/C电催化剂甲醇氧化反应性能及机理研究

直接甲醇燃料电池（DMFC）是一种将甲醇燃料的化学能直接转化为电能的能量转换装置,具有能量转化效率高、环境友好、燃料来源丰富等优势,在移动电源等领域具有广泛应用前景,但阳极铂基电催化剂的性能及成本制约着DMFC的发展。本论文通过简单的液相浸渍还原法,制备了系列PtCu/C纳米电催化剂,电化学性能测试结果表明,电催化剂对甲醇氧化反应（MOR）活性顺序为商品Pt/C < Pt₃Cu/C < PtCu₄/C < PtCu/C < PtCu₃/C,且活性最高的PtCu₃/C电催化剂表现出较为优异的电化学稳定性。结合物相表征、电化学测试及DFT计算,阐释了PtCu₃/C催化剂中存在的少量CuO相能够促进水分子解离产生*OH,通过双功能机制促进类CO反应中间物种氧化为CO₂。因此,相比于商品Pt/C,虽然PtCu₃/C电催化剂的ECSA不足其一半,但质量比活性和面积比活性分别提高1.88倍和3.74倍。     

凹形树突状PtCu纳米催化剂的合成及对甲醇电催化的研究

以邻苯二胺为表面活性剂,通过水热釜法一步制备凹形树突状PtCu双金属纳米催化剂(PtCu NCDs)。PtCu NCDs在电催化甲醇氧化(MOR)的应用中表现出非常高的活性和很强的抗有毒中间体作用。PtCu NCDs对于甲醇氧化的质量活性为(0.53 A·mg^-1 Pt)是商业Pt/C(0.26 A·mg^-1 Pt)的2.04倍。从比活性的CV曲线图对比发现PtCu NCDs(1.07 mA·cm^-2)是商业Pt/C(0.55 mA·cm^-2)的1.95倍。而且,PtCu NCDs(2.76)比商业Pt/C催化剂(1.02)表现出更高的I_f/I_b比值。这些优异的电催化活性可能归功于PtCu NCDs特殊的凹形树突状形貌。     

Density functional theory study of water activation and COads + OHads reaction on pure platinum and bimetallic platinum/ruthenium nanoclusters

A density functional theory study of the elementary steps that lead to the removal of CO(ads(Pt)) over alloyed and sequentially deposited Pt/Ru bimetallic nanoclusters is presented. The reaction energies and activation barriers for the H2O(ads(Ru)) dissociation and CO(ads(Pt)) + OH(ads(Ru)) reaction are estimated in solid-gas interface and in a microsolvated environment to determine which surface morphology is more tolerant to COads poisoning. On the basis of the energetics, the sequentially deposited Pt/Ru nanocluster is predicted to be a much more promising anode catalyst than the alloy cluster surface in fuel cell applications.     

基于DFT计算的Pt(111)表面氧覆盖度和水合质子模型对氧还原反应路径的影响(英文)

利用基于平面波的密度泛函理论（DFT）计算研究了氧气分子在Pt(111)表面的吸附和解离,以及解离产物进一步质子化形成H₂O的过程. 通过使用不同尺寸的平板模型和在表面预吸附不同数量的氧原子,研究了氧覆盖度对氧还原反应（ORR）路径的影响,并对使用不同水合质子模型的计算结果进行了比较. 研究结果表明： 质子化的end-on化学吸附态OOH*的形成是ORR的初始步骤;OOH*能够转化形成非质子化的top-bridge-top化学吸附态O₂*,或者解离形成吸附的O*物种. 对不同氧覆盖度下各种可能步骤的活化能计算结果表明,O*的质子化形成OH*物种是ORR的速决步骤. 增加氧覆盖度时,该步骤的活化能减少. 此外,还发现使用比H₇O₃⁺更复杂的水合质子模型不会改变计算所得的反应路径.     

Carbon black supported PtCu nanoparticles derived from mix-phased Cu precursor for high-performanced oxygen reduction reaction in acid medium

Alloying high-cost Pt with transition metals has been considered as an effective route to synthesize the electrocatalysts with low Pt loading and excellent activity towards oxygen reduction reaction (ORR) under acid solution. The galvanic replacement method, as featured with efficiency and simplicity, is widely reported to produce Pt-based bimetallic alloys and thereby declare the significance of reductive transition metal precursor on the enhancement of ORR performance. Herein, mix-phased Cu−Cu₂O precursor was applied to prepare carbon black supported highly dispersed PtCu alloy nanoparticles (PtCu/C). The proper Cu−Cu₂O ratios can exactly facilitate the generation of small sized PtCu alloy nanoparticles with regulated bimetallic content. Meanwhile, the Cu₂O phase is revealed to benefit the electron transfer from Pt to Cu and thus improve the intrinsic activity of Pt active sites. And the metallic Cu can favor the promotion of electrochemical active surface area. Consequently, the as-prepared PtCu/C behaves impressive ORR activity with half-wave potential of 0.88 V (vs. RHE) and mass activity of 0.49 A cm⁻² mg_Pt⁻¹ at 0.8 V, which is 9.8 times of commercial Pt/C catalysts. Our work will offer helpful advices for the development and regulation of novel Pt-based alloy materials towards diverse electrocatalysis.