Pd催化甲醇裂解制氢的反应机理

基于密度泛函理论(DFT), 研究了甲醇在Pd(111)面上首先发生O—H键断裂的反应历程(CH3OH(s)→CH3O(s)+H(s)→CH2O(s)+2H(s)→CHO(s)+3H(s)→CO(s)+4H(s)). 优化了裂解过程中各反应物、中间体、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各基元反应的活化能数据. 另外, 对甲醇发生C—O键断裂生成CH3(s)和OH(s)的分解过程也进行了模拟计算. 计算结果表明, O—H键的断裂(活化能为103.1 kJ·mol-1)比C—O键的断裂(活化能为249.3 kJ·mol-1)更容易; 甲醇在Pd(111)面上裂解的主要反应历程是: 甲醇首先发生O—H键的断裂, 生成甲氧基中间体(CH3O(s)), 然后甲氧基中间体再逐步脱氢生成CO(s)和H(s). 甲醇发生O—H键断裂的活化能为103.1 kJ·mol-1, 甲氧基上脱氢的活化能为106.7 kJ·mol-1, 两者均有可能是整个裂解反应的速控步骤.     

CO2在金属表面活化的能学方法研究

应用UBI-QEP方法, 估算了CO2-在金属表面的吸附热, 并计算了CO2在Cu(111)、Pd(111)、Fe(111)、Ni(111)表面的各种反应途径的活化能垒. 结果表明, CO2-在4种过渡金属表面相对的稳定性和CO2解离吸附的活性顺序一致,均为Fe>Ni>Cu>Pd. 说明CO2-可能是CO2解离吸附的关键中间体. 在Cu、Pd、Ni表面上, CO2解离吸附的最终产物是CO,而在Fe表面其最终会解离成C和O. 在Cu、Fe、Ni表面, CO2加氢活化是一种有效模式, 而在Pd上则不容易进行. 在Cu和Pd表面,碳酸盐物种也可能是CO2活化的重要中间体.     

CO2在金属表面活化的UBI-QEP方法研究

应用UBI-QEP方法估算了金属表面上形成的活化吸附态CO₂^-在Cu(111),Pd(111),Fe(111)和Ni(111)表面上的吸附热,计算了各种相关反应的活化能垒.结果表明,CO₂^-在4种过渡金属表面的相对稳定性的顺序为Fe>Ni>Cu>Pd;在Fe和Ni表面上CO₂^-较易生成,且容易进一步发生解离反应,在Fe表面会解离成C和O吸附原子,而在Ni表面上解离的最终产物为CO和O;在Cu表面上,CO₂^-虽较难形成,但其加氢反应的活化能比解离反应低,因此加氢反应是其进一步活化的有效模式;在Pd表面上,CO₂^-吸附态在能量上很不稳定,所以CO₂在Pd表面上不容易活化.     

甲烷部分氧化制合成气在Ni,Cu及Ni-Cu合金上的DFT研究

基于密度泛函理论(DFT)的DMol3量子力学计算程序模块应用于合金体系,通过与N i(111)和Cu(111)的比较,研究了N iCu(111)上甲烷部分氧化制合成气的活性.计算结果显示,Cu的加入导致H2在N iCu(111)的脱附能垒低于H2在N i(111)上的脱附能垒,CO的吸附热变化不大.此外,还考察了甲烷解离的过程,发现Cu的加入对速控步骤的活化能影响不大.     

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.     

不同粒径的Ni/SiO2催化剂上CH4和CO2吸附活化的漫反射傅里叶变换红外光谱研究

 采用原位漫反射傅里叶变换红外光谱研究了CH4和CO2在不同粒径的Ni/SiO2催化剂上的吸附及活化. 结果表明,在不同粒径的催化剂上,检测到有CH4解离生成的CHx(x=1～3)物种,以及催化剂表面吸附的CHx物种与表面-OH 作用生成的CHx-O物种. CH4的裂解强烈依赖于催化剂表面Ni颗粒的大小,在粒径8 nm左右的Ni颗粒上, CH4较易解离; CO2难以直接在Ni/SiO2催化剂表面发生解离吸附,但CH4解离生成的吸附H对CO2的解离吸附具有明显的促进作用; CH4与CO2共吸附时,较小粒径的Ni可以促进CO2与表面氧物种发生反应,生成单齿表面碳酸盐物种.     

Ni的化学态对甲烷部分氧化反应机理的影响: 能学分析

采用键指数归一-平方势(UBI-QEP)法对不同化学态Ni上甲烷部分氧化反应中各可能基元步骤进行了能学计算研究. 结果表明, 反应的速度控制步骤与金属Ni的化学态有关. 还原态Ni上CO形成的反应速度控制步骤为表面上CH₃与O物种间的缔合, 而带部分正电荷的Ni上CO形成的反应速度控制步骤则为甲烷氧助解离形成表面CH_xO物种. 还原态和带部分正电荷的Ni中心在表面上共存时, 反应的速度控制步骤将取决于表面CH₃形成与表面CH₃、O物种缔合两反应间的竞争, 其竞争的强弱涉及Ni的化学态. 此外, 反应活性中心向正电荷的Ni转化时, 会导致表面C和O及H和H物种缔合的活化能显著降低, 有利于CO、H₂的形成, 而表面CHx物种解离则变得不容易, 表面积炭受到明显的抑制.     

Cu(111)面上糠醇加氢生成2-甲基呋喃的反应机理

采用广义梯度近似的密度泛函理论并结合平板模型的方法,详细研究了糠醇在Cu(111)面上反应生成2-甲基呋喃的反应历程,优化了糠醇在Cu(111)面的吸附模型,并采用完全线性同步和二次同步变换的方法,对三种可能的反应机理中的各反应步骤进行了过渡态搜索.结果表明,糠醇主要通过支链上OH与Cu(111)面相互作用,易形成ψCH2和ψCH2O中间体(ψ代表呋喃环).糠醇进一步加氢机理很可能为:引入的氢物种明显降低了糠醇分解形成的中间体ψCH2的活化能,并促进了它的形成;中间体ψCH2更易从糠醇中获得H而生成2-甲基呋喃.该过程的控速步骤为ψCH2O*→ψCHO*+H*,活化能为199.0kJ/mol,总反应是2ψCH2OH=ψCH3+ψCHO+H2O.     

甲胺在清洁及磷改性Mo(100)表面的解离

采用广义梯度近似(GGA)的密度泛函理论(DFT)(DFT-GGA)并结合平板模型, 研究了甲胺在清洁及磷(P)改性的Mo(100)表面(P-Mo(100))发生C—N键断裂的反应历程(CH3NH2→CH3+NH2). 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数据. 计算结果表明, 在清洁和磷改性的Mo(100)表面, 甲胺均稳定吸附在顶位, 甲基和氨基最稳定的吸附位置均为桥位. 甲胺的C—N键在P-Mo(100)表面裂解的活化能为2.39 eV, 高于其在清洁表面的活化能(1.99 eV). 这表明Mo(100)表面被预吸附的P原子钝化了. 电子结构分析表明, 改性P原子使得金属Mo的供电子能力减弱, 导致它的d带中心下移, 从而降低了该表面的反应活性, 提高了甲胺的C—N键裂解的活化能. 活化能的分解表明, C—N键在P-Mo(100)与Mo(100)表面裂解的活化能的差异主要体现在初态到过渡态时甲胺的结构变化引起的能量变化(△EdefCH3NH2)、过渡态仅有甲基存在时的吸附能(ETSCH3)和过渡态甲基和氨基的相互作用(EintCH3…NH2). △EdefCH3NH2和ETSCH3使活化能升高幅度大于EintCH3…NH2使活化能降低幅度, 最终导致甲胺的C—N键在P-Mo(100)表面裂解的活化能要高于在Mo(100)表面裂解的活化能.     

糠醛在Pt(111)表面的吸附和脱碳反应

采用广义梯度近似的密度泛函理论并结合平板模型的方法, 优化了糠醛分子在Pt(111)面的吸附模型,并探究了糠醛脱碳反应形成呋喃的机理. 结果表明: 吸附后糠醛分子环上的C―H(O)键及支链―CHO相对于金属表面倾斜上翘, 分子平面被扭曲, 易于呋喃的形成; 同时, 糠醛分子向Pt表面转移电子0.765e, 环中的大π键与Pt(111)表面的d轨道发生较强的相互作用, 使得糠醛的芳香性被破坏, 环上的碳原子呈现准sp³杂化. 此外, 对糠醛脱碳反应中的各反应步骤进行过渡态搜索, 通过比较各步骤的活化能, 得出糠醛更易先失去支链上的H形成酰基中间体(C₄H₃O)CO, 中间体继续脱碳加氢形成产物呋喃. 该过程的控速步骤为(C₄H₃O)CO^*+^*→C₄H₃O^*+CO^* (^*为吸附位),活化能为127.65 kJ·mol^-1.     

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.     

Theoretical Study on the Adsorption and Decomposition of Methanol over the Pt-Mo（111）/C Surface

The density functional theory(DFT) and self-consistent periodic calculation were used to investigate the methanol adsorption on the Pt-Mo(111)/C surface.The adsorption energies,equilibrium geometries and vibration frequencies of CH3OH on nine types of sites on the Pt-Mo(111)/C surface were predicted and the favorite adsorption site for methanol is the top-Pt site.Both sites of valence and conduction bands of doped system have been broadened,which are favorable for electrons to transfer to the cavity.The possible decomposition pathway was investigated with transition state searching and the calculation results indicate that the O-H bond is first broken,and then the methanol decomposes into methoxy.The activation barrier of O-H bond breaking with Pt-Mo catalyst is only 104.8 kJ mol-1,showing that carbon supported Pt-Mo alloys have promoted the decomposition of methanol.Comparing with the adsorption energies of CH3OH on the Pt(111)/C surface and that of CO,the adsorption energies of CO are higher,and Pt(111)/C is liable to be oxidized and loses the activity,which suggests that the catalyst Pt-Mo(111)/C is in favor of decomposing methanol and has better anti-poisoning ability than Pt(111)/C.     

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.     

氢原子在Ni(111)次表面和Ni(211)、(533)台阶面上的吸附与振动

应用原子与表面簇合物相互作用的五参数Morse势(5-MP)方法对氢原子在Ni(111)表面和次表面以及Ni(211), (533)台阶面进行了系统研究, 得到了氢原子在上述各面的吸附位、吸附几何、结合能和本征振动频率. 计算结果表明, 在Ni(111)面上, 氢原子优先吸附在三重位, 随着覆盖度的增加会吸附在次表面八面体位和四面体位. Ni(211), (533)的最优先吸附位都是四重位, 当氢原子的覆盖度增大时占据(111)平台的三重吸附位. 靠近台阶面的吸附位受台阶和平台高度的影响很大. 此外, 我们计算了氢原子在各表面的不同吸附位的扩散势垒, 获得氢原子在各表面的最低能量扩散通道.     

Kinetic mechanism of methanol decomposition on Ni(111) surface: a theoretical study

The decomposition of methanol on the Ni(111) surface has been studied with the pseudopotential method of density functional theory-generalized gradient approximation (DFT-GGA) and with the repeated slab models. The adsorption energies of possible species and the activation energy barriers of the possible elementary reactions involved are obtained in the present work. The major reaction path on Ni surfaces involves the O-H bond breaking in CH(3)OH and the further decomposition of the resulting methoxy species to CO and H via stepwise hydrogen abstractions from CH(3)O. The abstraction of hydrogen from methoxy itself is the rate-limiting step. We also confirm that the C-O and C-H bond-breaking paths, which lead to the formation of surface methyl and hydroxyl and hydroxymethyl and atom hydrogen, respectively, have higher energy barriers. Therefore, the final products are the adsorbed CO and H atom.     

Au(111)表面上乙醇选择性氧化反应机理的密度泛函理论研究(英文)

采用密度泛函理论研究了吸附有O原子的Au(111)表面上乙醇选择性氧化的反应机理.反应结果表明,除O原子和中间产物二齿醋酸根(CH3CHOO)外,其他中间产物在Au(111)表面扩散能垒均较低,不会对反应速控步骤的确定造成影响.乙醇羟基氧化脱氢为反应的第一步骤,当氧化剂为吸附态的O原子或者为OH基时,反应活化能分别为0.20和0.17eV.氧化产物乙氧基(CH3CH2O)进一步氧化脱氢生成乙醛则需要表面吸附的O原子或另一表面吸附的OH基的参与,所需活化能为0.29或0.27eV.同时,乙醛易与表面吸附的乙氧基反应生成乙氧基半缩醛(CH3CHOOC2H5),其可进一步与O原子作用,脱氢形成乙酸乙酯.此外,在乙醛深度氧化成酸的过程中需要克服较高的反应能垒,因而在表面反应温度较低时无法进行,这与实验结果相符.