单原子Ge助剂修饰Cu(111)晶面上CO2加氢制甲醇的机理研究

针对CO₂热催化转化制甲醇过程中CO₂吸附、活化较困难及副产物较多的问题,提出采用单原子Ge助剂修饰Cu (111)晶面的解决思路,通过密度泛函理论(DFT)计算研究了CO₂在Ge-Cu(111)晶面上加氢合成甲醇的反应机理。结果表明,单原子Ge助剂的电子调控增加了与其相邻的Cu原子的电子云密度,使CO₂分子在含Ge活性界面上的吸附能力显著增强：CO₂在Ge-Cu(111)晶面上的吸附能约为Cu (111)晶面的1.5倍,约为Pd改性Cu(111)晶面的2.4倍,进而使逆水煤气变换(RWGS)反应路径速控步骤的活化能降低了近20 kJ·mol^-1,同时衍生出3条生成甲醇的RWGS新路径;此外,Ge-Cu(111)晶面上甲酸盐路径由于速控步骤活化能大幅上升而被禁阻,进而CO及烃类等副产物选择性大幅降低,Ge-Cu(111)晶面上CO₂加氢制甲醇选择性升高。     

沉淀还原法制备高性能CO2加氢合成甲醇Cu/ZnO/Al2O3催化剂

由铜基催化剂催化CO2+H2合成甲醇是有效利用CO2的潜在途径[1～5]. 但传统的催化剂对该反应的催化活性及选择性均很低[3～5], 因而寻求具有高活性及高选择性的新型催化剂已成为重要研究课题[4,6]. Cu/ZnO系列催化剂的制备方法和助剂对催化剂的性质及CO2加氢合成甲醇的反应性能有显著影响[6～10], 传统的气相还原活化铜基催化剂的过程常伴随强烈的热效应, 导致催化剂活化过程存在耗时长及还原条件难以控制等问题[11]. 本文采用沉淀-还原法, 用KBH4溶液对新鲜制备的碳酸盐共沉淀进行液相化学还原处理, 直接得到高活性及高选择性的还原态Cu/ZnO/Al2O3甲醇合成催化剂, 并可通过改变催化剂表面Cu+/Cu0活性物种的相对比例来改善催化剂的活性及选择性.     

Au(111)面上肉桂醛的选择性加氢机理

采用密度泛函理论并结合周期性平板模型的方法,优化了肉桂醛在Au（111）面上的吸附模型,并详细探讨了肉桂醛在Au（111）面上选择性加氢的反应机理（C=O,C=C以及1,4 共轭加成机理）. 计算结果表明,肉桂醛以C=O和C=C协同吸附于Au（111）面上时,吸附构型最稳定. 此时,不同吸附模式的吸附能平均在140.0kJ·mol^-1. 通过搜索不同机理下每个基元反应的过渡态,得出肉桂醛在Au（111）面上最可能的选择性加氢产物为苯丙醛,且其按照1,4 共轭加成机理间接得到苯丙醛比C=C直接加氢机理具有更低的活化能. 具体反应过程为：肉桂醛C=O的O优先加H形成烯丙基型中间体,继而该中间体中与苯环相连的C原子继续加H形成烯醇（ENOL）,最终烯醇异构成苯丙醛. 其中ENOL的生成过程所需的活化能最高,是反应的控速步骤.     

Au(111)面上肉桂醛的选择性加氢机理

采用密度泛函理论并结合周期性平板模型的方法,优化了肉桂醛在Au(111)面上的吸附模型,并详细探讨了肉桂醛在Au(111)面上选择性加氢的反应机理(C=O,C=C以及1,4共轭加成机理).计算结果表明,肉桂醛以C=O和C=C协同吸附于Au(111)面上时,吸附构型最稳定.此时,不同吸附模式的吸附能平均在140.0kJ?mol-1.通过搜索不同机理下每个基元反应的过渡态,得出肉桂醛在Au(111)面上最可能的选择性加氢产物为苯丙醛,且其按照1,4共轭加成机理间接得到苯丙醛比C=C直接加氢机理具有更低的活化能.具体反应过程为:肉桂醛C=O的O优先加H形成烯丙基型中间体,继而该中间体中与苯环相连的C原子继续加H形成烯醇(ENOL),最终烯醇异构成苯丙醛.其中ENOL的生成过程所需的活化能最高,是反应的控速步骤.     

负载型CuO/TiO2催化剂催化CO2加氢制甲醇

采用浸渍法制备了CuO/TiO₂负载型催化剂,并将其用于CO₂加氢制甲醇反应。重点考察了铜的负载量对催化剂性能的影响,并对其物化性能和催化性能之间的关系进行了讨论。结果发现,随着铜负载量的增加,催化剂中金属铜的比表面先增加后减小,当铜的负载量为10%（质量百分数）时达到最大值。催化剂的表面碱性位数量随铜含量的增加持续减小,中等碱位和强碱位的强度下降。当铜的负载量不高于10%时,CO₂的转化率与铜的比表面积呈线性关系。甲醇选择性与催化剂的表面碱位性质有关,过强的碱性位会降低甲醇选择性。     

负载型CuO/TiO2催化剂催化CO2加氢制甲醇

采用浸渍法制备了CuO/TiO_2负载型催化剂,并将其用于CO2加氢制甲醇反应。重点考察了铜的负载量对催化剂性能的影响,并对其物化性能和催化性能之间的关系进行了讨论。结果发现,随着铜负载量的增加,催化剂中金属铜的比表面先增加后减小,当铜的负载量为10%(质量百分数)时达到最大值。催化剂的表面碱性位数量随铜含量的增加持续减小,中等碱位和强碱位的强度下降。当铜的负载量不高于10%时,CO2的转化率与铜的比表面积呈线性关系。甲醇选择性与催化剂的表面碱位性质有关,过强的碱性位会降低甲醇选择性。     

巴豆醛在Au(111)面上的吸附及选择性加氢机理研究

采用密度泛函理论计算了巴豆醛4种构型的稳定性,并选取最优构型进一步研究了其Au(111)面上的吸附及选择性加氢机理.计算结果表明,具有E-(s)-trans构型的巴豆醛稳定性最高.当巴豆醛通过C O吸附于Au(111)面的顶位时,该构型吸附能最大,吸附模型最稳定;巴豆醛向Au(111)表面转移电子0.045e,且其p轨道与金属表面的d轨道发生较强相互作用,使得巴豆醛的键级减弱.此外,通过分析各基元反应的活化能、反应热以及构型变化可知,巴豆醛在Au(111)面上按照2,1-加成机理(部分加氢机理)生成巴豆醇的可能性最大,且降低温度有利于反应转化率的提高.     

Au(111)面上噻吩加氢脱硫反应机理的理论研究

采用密度泛函理论方法研究了噻吩在Au(111)面上的吸附模式, 并探讨了其在Au(111)面上可能的加氢脱硫反应机理, 对不同机理下各个基元反应的过渡态进行了筛选, 得到了各个步骤的能量变化及所需活化能.计算结果表明, 噻吩在Au(111)面上以S端倾斜吸附在Top位时最稳定.直接脱硫机理表明, 其所需活化能较低, 升高温度有利于提高脱硫反应产率, 但脱硫产物较难控制; 间接脱硫机理表明, 脱硫反应最可能按照加氢异构方式进行, 降低温度有利于脱硫反应产率的提高.随着反应的进行, 噻吩环中的C—S键键长逐渐增大, 键能逐渐减小, 有利于C—S键断裂, 具体步骤为:(1) C₄H₄S+H₂α,α-C₄H₆S; (2) α,α-C₄H₆S+H₂C₄H₈S; (3) C₄H₈S+H₂C₄H₁₀+S, 其中S原子的脱去步骤所需活化能最高, 为反应的限速步骤.     

Cu单原子修饰对Fe(111)表面CO吸附性能及电子性质调变的第一性原理研究

采用密度泛函理论方法研究了Cu单原子修饰对Fe(111)表面CO吸附性能和电子性质的调变作用,其中,Cu单原子修饰研究了吸附和取代两种方式。结果表明,CO在Cu修饰的Fe(111)面吸附能力都会变弱,一是Cu原子自身提供的位点对CO的吸附较弱;二是Cu会使其附近的Fe对CO的吸附变弱。分析电子性质表明,Cu作用于Fe表面后,会导致Cu附近Fe原子部分电子向Cu原子转移,进而削弱了Fe与吸附分子间电子交互作用而改变Fe原子的吸附能力。故Cu原子改性Fe表面可以很好地调变CO的吸附、解离及后续反应催化活性,这为进一步探究Cu改性Fe表面的合成气催化反应机理提供了基础信息。     

钠对苯甲醛加氢合成苯甲醇催化剂Cu/SiO2的修饰作用影响活性

采用浸渍法引入不同含量的钠元素对Cu/SiO₂催化剂进行了改性, 并对苯甲醛加氢合成无氯苯甲醇反应进行了研究. XRD, H₂-TPR, BET, IR等表征分析结果表明: 经钠元素修饰后的催化剂并没有改变CuO的晶相结构, 但增强了活性组分和载体间的相互作用, 使CuO的还原温度得到提高; 催化剂表面的酸量和酸强度随钠元素修饰量的增加而显著降低; 钠的最佳负载量为1.0% (w), Na-Cu/SiO₂催化剂能够有效抑制副产物甲苯的生成, 显著地提高产物苯甲醇的高温选择性.     

R&D activities in Japan on methanol synthesis from CO2 and H2

Methanol synthesis from CO₂ and H₂ can be a useful process for conversion and transportation of hydrogen energy derived from non-fossil energies. More than ten research groups in Japan have extensively investigated the methanol synthesis from both academic and practical points of view. Recent R&D activities in Japan for developing high performance catalysts, for elucidating the reaction mechanism and also for operating a bench scale plant have been reviewed in this paper.     

Pd/Cu(111)双金属表面催化糠醛脱碳及加氢的反应机理

采用密度泛函理论(DFT)研究糠醛在最稳定Pd/Cu(111)双金属表面上的吸附构型和糠醛脱碳及加氢的反应机理。结果表明,当糠醛初始吸附于O_3-Pd-top、O_7-Cu-hcp位时,吸附构型最稳定,其吸附能为73.4 kJ/mol。糠醛在Pd/Cu(111)双金属表面上更易发生脱碳反应。对于糠醛脱碳反应,所需活化能较低,各个基元反应均为放热反应,糠醛更易先失去支链上的H形成(C_4H_3O)CO,然后中间体脱碳加氢得到呋喃,其中,C_4H_3O加氢生成呋喃所需活化能(72.6 kJ/mol)最高,是反应的控速步骤。对于加氢反应,糠醛与首个氢原子的反应需要最大的活化能(290.4 kJ/mol),是反应的限速步骤。     

CO2 fixation by hydrogenation over coprecipitated Co/Al2O3

CO₂ fixation by hydrogenation over coprecipitated 36 wt.% Co/Al₂O₃ has been studied under a range of reaction conditions to clarify the effects of reaction variables and to determine the kinetics and mechanism of the reaction. A comparison of the results with those reported for CO hydrogenation on the same catalyst indicates that, although product distributions of CO₂ and CO hydrogenation differ, the kinetics and mechanism are similar.     

氧分子在Cu2O(111)表面吸附与解离的理论研究

本文采用密度泛函方法结合周期性平板模型,研究了氧原子和氧分子在完整和存在缺陷的Cu₂O(111)表面的吸附。计算结果表明氧原子倾向于吸附在配位饱和的Cu_CSA位,而对于氧分子,则强烈倾向于吸附在配位不饱和的Cu_CUS位。氧分子在含有氧空位的缺陷表面的优势吸附位为平行吸附于空位上方的桥位。过渡态的计算表明氧分子在缺陷表面的解离是一个活化能很小的放热过程。     

TiO_2纳米带光催化二氧化碳甲烷化

研究了在常温常压下TiO2纳米带光催化CO2催化加氢气反应。在紫外光照射下,二氧化碳的加氢还原产物为甲烷。利用高分辨TEM,XRD,UV-Vis DRS,低温氮吸附-脱附,TG等考察了催化剂与甲烷产率的构效关系。结果表明,在600℃焙烧时得到的双晶材料具有最佳的光催化活性。优异的光催化活性主要得益于TiO2双晶脱水纳米带(DNR Bicrystalline dehydratednanoribbon)。上面形成的纳米晶界能够提高催化剂在紫外区的光吸收能力,TiO2(B)和锐钛矿独特的双晶间隔结构也提高了界面电荷分离的效率。担载贵金属Pt显著地提高了反应速率。     

关于限域离子液体吸附CO_2的密度泛函理论(DFT)的研究

近年来,温室效应日趋严重,因此吸收CO_2的材料受到了广泛的关注.采用了密度泛函理论(DFT)研究以SiO_2为载体的限域离子液体对CO_2的吸附.对比纯净离子液体(ILs)以及限域离子液体与CO_2的相互作用情况,在这两种状态下两种体系的吸附情况大不相同.从几何结构、相互作用以及电荷分析等方面对ILs、 SiO_2以及ILs/SiO_2复合结构进行研究.计算结果表明,载体、离子液体和CO_2之间都存在较强的相互作用.离子液体的负载不仅改变了SiO_2载体的结构,而且受载体的影响阴阳离子之间的相互作用力也发生了改变.计算结果为进一步深入限域离子液体对CO_2的吸附打下了理论基础.     

Mg掺杂In2O3-x催化剂光热催化CO2加氢

为提高光热催化CO₂加氢In₂O₃催化剂的催化活性,采用均相水热法制备Mg (OH)₂-In (OH)₃前驱体,通过高温煅烧和H₂-还原处理得到了富含氧空位的Mg掺杂In₂O_3-x(Mg-In₂O_3-x)催化剂。在300℃、常压、可见光照射条件下,CO₂加氢转化为CO的CO₂转化率可达31.20%,CO产生速率为14.22 mmol·g_cat^-1·h^-1,CO选择性为100%。相比于单一In₂O_3-x催化剂,Mg-In₂O_3-x催化剂光热催化CO₂转化率及CO产生速率明显提高,这归因于Mg成功掺杂到In₂O₃晶格中,促进In₂O₃表面氧空位的形成,进而对可见光响应效率大幅提高,并有效减缓光生电子-空穴的复合。