CO/H_2在Cu/ZrO_2催化剂表面吸附行为原位红外表征

用原位FT IR法比较了Cu ZrO2 和ZrO2 催化剂表面对CO及CO H2 的吸附行为。结果表明 ,CO在 5 0℃便可以在Cu ZrO2 表面形成b HCOO Zr、Zr COO- 和b HOCOOZr物种 ,吸附温度升高 ,b HOCOOZr逐渐分解生成Zr OH和CO2 ,而b HCOO Zr吸附物种逐渐增强。b HCOO Zr物种在Cu ZrO2 催化剂表面生成速率远远大于ZrO2 催化剂。在Cu ZrO2 催化剂表面 ,所形成的合成甲醇中间物种 (HCOO Zr和CH3O Zr)均和ZrO2 有关 ,意味着CO加氢反应主要在ZrO2 表面进行 ,铜组分主要向ZrO2 提供吸附CO及H2 物种。     

HCOO在Cu(110)、Ag(110)和Au(110)表面的吸附

采用密度泛函理论(DFT)以及广义梯度近似方法(GGA)计算了甲酸根(HCOO)在Cu(110)、Ag(110)和Au(110)表面的吸附. 计算结果表明, 短桥位是最稳定的吸附位置, 计算的几何参数与以前的实验和计算结果吻合. 吸附热顺序为Cu(110)(-116 kJ·mol-1)>Ag(110)(-57 kJ·mol-1)>Au(110)(-27 kJ·mol-1), 与实验上甲酸根的分解温度相一致. 电子态密度分析表明, 吸附热顺序可以用吸附分子与金属d-带之间的Pauli 排斥来关联, 即排斥作用越大, 吸附越弱. 另外还从计算的吸附热数据以及实验上HCOO的分解温度估算了反应CO2+1/2H2→HCOO的活化能, 其大小顺序为Au(110)>Ag(110)>Cu(110).     

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。     

CuPd催化剂调节中间反应能垒提高电催化CO2生成二碳产物的选择性

过度的碳排放已造成了严重的全球环境问题,电催化CO2还原是一种利用间歇性过剩电能将CO2转化为有价值的化学物质的有效策略.在多种CO2还原产物中,二碳(C2)产物(如乙烯、乙醇)因其比一碳产物(如甲酸、甲烷、甲醇)具有更高的能量密度而备受关注.Cu是唯一能用电化学方法将CO2转化为多碳产物的单金属催化剂.如何提高Cu基催化剂上CO2还原为C2产物的效率已引起了极大关注.电催化还原CO2生成C2产物有两个重要步骤:一是参与碳碳偶联反应的CO*中间体的量(*代表中间体吸附在基底表面),二是碳碳偶联步骤的能垒.对于Cu单金属催化剂,虽然其表面碳碳偶联步骤的能垒相对较低,但是Cu对CO2的吸附能力和CO2*加氢能力并不高,导致在Cu表面不能生成足量的CO*中间体参与碳碳偶联反应,因而对C2产物的选择性和活性并不理想.与Cu单金属催化剂相反,在Pd单金属催化剂表面,CO*中间体的形成具有超快的反应动力学,但是CO*易在Pd表面中毒且后续碳碳偶联步骤的能垒极高,使其表面不能生成C2产物.为了充分发挥Cu(碳碳偶联步骤能垒较低)和Pd(CO*形成具有超快反应动力学)的双重优势,本文构建了一种紧密的CuPd(100)界面,以调节中间反应能垒,从而提高C2产率.密度泛函理论(DFT)计算表明,CuPd(100)界面增强了CO2的吸附,且降低了CO2*加氢步骤的能垒,从而能够催化生成更多的CO*中间体参与碳碳偶联反应.且CuPd(100)界面上CO2还原为C2产物的电位决定步骤能垒为0.61 eV,低于Cu(100)表面的(0.72 eV).本文采用了一种简便的湿化学法制备了CuPd(100)界面催化剂.X射线衍射和X射线光电子能谱测试以及扩展X射线吸收精细结构光谱结果表明,合成的是相分离的CuPd双金属催化剂,而非CuPd合金催化剂.同时高分辨透射电镜可以观察到清晰的CuPd(100)界面.由此可见,本文成功合成了CuPd(100)界面催化剂.程序升温脱附实验结果表明,CuPd(100)界面对CO2和CO*的吸附比Cu强,结果与理论预测一致.气体传感实验结果表明,CuPd(100)界面CO2*加氢能力比Cu强.为评估CuPd(100)界面催化剂的催化活性,进行了CO2电化学还原实验.结果表明,在0.1 mol/L的KHCO3电解液中,CuPd(100)界面催化剂在–1.4 VRHE下,C2产物的法拉第效率为50.3％ ±1.2％,是同电位下Cu催化剂的(23.6％ ±1.5％)的2.1倍,C2产物的选择性是Cu催化剂的2.4倍,且具有更高的电流密度和更大的电化学活性面积.本文通过调控中间反应能垒以合理设计铜基CO2还原电催化剂提供了参考.     

甲酸在轻微氧化的Nb(110)表面吸附的HREELS研究

用高分辨电子能量损失谱(HREELS)研究了甲酸在轻微氧化的Nb(110)表面(O/Nb原子比=0.2)上的吸附与分解,提出了相应的表面反应模式.140K时,低暴露量的甲酸在该表面解离生成甲酸根(HCOO),生成的甲酸根以单齿形式键合在Nb上,同时也有少量甲酸分解生成吸附态的CO;高暴露量时则生成多层物理吸附的固体甲酸.升温至～190K,物理吸附的甲酸脱附,此时的表面为单齿键合的HCOO和CO所覆盖.温度升至250～300K时,HCOO的吸附态由单齿式转变成桥式,同时表面吸附的CO分子消失.升温过程的HREELS表明HCOO的分解导致了Nb的氧化.暴露量较高时表面的甲酸根比较稳定以致于在540K的高温时仍不完全分解.     

一氧化碳在硫修饰铂电极上的吸附与电氧化研究(英文)

吸附硫通常被认为是表面化学反应毒物,然而少量的硫能够增强铂的一氧化碳(CO)电氧化活性.本文利用常规电化学手段及表面增强拉曼光谱研究了CO在硫修饰的铂表面的电氧化.对于溶液中的CO,其在硫修饰铂电极上的起始氧化电位最多可以比非修饰电极负移超过300 mV,而且在硫覆盖度低于0.6的条件下电位负移量随覆盖度增加而增大.这一电催化活性的增强也受溶液pH值的影响.在低硫覆盖度(小于0.3)下,吸附态的CO电氧化峰值电位比非修饰铂电极负移约40 mV.然而,在高硫覆盖度下,其峰值电位比非修饰铂电极正移近30 mV.表面增强拉曼光谱显示共吸附硫使Pt—CO振动频率显著红移.作者认为这些结果是由于吸附硫弱化Pt—CO键及阻化CO在铂表面的移动引起的.     

低能离子束研究N[+]-CoNi(100),Co/Cu(100)系统化学吸附键的性质

离子束技术可以研究气态下离子和分子的相互作用,近来又用于研究离子和吸附分子的相互作用.通常气体分子在单晶表面上的吸附是定向的,故这种吸附不仅可以用来研究不同方向入射的离子束与吸附分子的相互作用,从中还可以获得有关吸附分子和表面基片原子之间的键合信息及入射离子在表面的中和效应信息.本文研究了10eV 的 N~ 离子束在清洁的和吸附了 CO 分子的 Ni(100)和 Cu(100)表面上的中和效应及其与 CO 的相互作用.选择该系统的原因是:(1)基态 N_2分子对清洁的 Ni,Cu 表面是不活泼的,在室温下无化学吸附;(2)关于 CO 在 Ni(100)和 Cu(100)表面上的化学吸附特性已有了充分的了解;(3)有关气相的 N~ -CO 系统的离子-分子相互作用亦已有了较为完整的研究.所以本文研究结果便于     

CO和H2分子在Cu(111)面的吸附和溶剂化效应

采用广义梯度近似(GGA)密度泛函理论(DFT)的PW91方法结合周期性模型, 在DNP基组下, 利用Dmol3模块研究了CO和H2在真空和液体石蜡环境下在Cu(111)表面上不同位置的吸附. 计算结果表明, 溶剂化效应对H2和CO的吸附结构参数和吸附能的影响非常显著. 在液体石蜡环境下, H2平行吸附在Cu(111)表面是解离吸附, 而CO 和H2在两种环境下的垂直吸附都是非解离吸附. 相比真空环境吸附, 在液体石蜡环境中, Cu(111)吸附CO时, 溶剂化效应能够提高CO吸附的稳定性, 同时有利于CO的活化. 在真空中, H2只能以垂直方式或接近垂直方式吸附在Cu(111)表面. 当Cu(111)顶位垂直吸附H2, 相比真空环境吸附, 溶剂化效应能够提高H2吸附的稳定性, 但对H2的活化没有明显影响. Cu(111)表面的桥位或三重穴位(hcp和fcc)垂直吸附H2时, 溶剂化效应能明显提高H2的活化程度, 但降低H2的吸附稳定性; 在液体石蜡中, 当H2平行Cu(111)表面吸附时, 溶剂化效应使H—H键断裂, 一个H原子吸附在fcc位, 另一个吸附在hcp位.     

氮掺杂石墨烯负载单原子Zr催化CO2加氢的密度泛函理论研究

基于密度泛函理论计算,研究了H2和CO2在氮掺杂石墨烯负载单原子Zr催化剂(Zr Nx-Gr)上的吸附和CO2催化加氢反应. H2和CO2在Zr N3-Gr上单独吸附的吸附能分别为-0.49和-2.17 e V,在H2和CO2共吸附状态下,吸附能为-2.24 e V,均高于在Zr N4-Gr表面的吸附能,表明Zr N3-Gr表面更利于CO2加氢反应的发生.在Zr N3-Gr表面, CO2在共吸附后保持了其单独吸附时的特性,削弱了H2分子的吸附. CO2在Zr Nx-Gr表面催化加氢反应起始于H2和CO2的共吸附构型,沿反式HCOOH路径形成甲酸盐(HCOO*)中间体,然后HCOO*基团吸附H原子形成反式甲酸,在Zr N3-Gr和Zr N4-Gr表面该路径的反应能垒分别为1.85和2.48 e V.另一路径为产生CO与H2O的反应,在Zr N3-Gr和Zr N4-Gr表面的反应能垒分别为1.86和1.73 e V,表明Zr N3-Gr更利于CO2加氢生成甲酸反应的发生,而Zr N4-Gr表面更利于CO的产生.     

Cu(Ⅰ)-A沸石的吸附性质

考察了离子交换方法和Mn~(2 )、Tl~ 和Fe~(2 )共存阳离子对Cu(Ⅰ)-A沸石及其吸附性质的影响以及CO吸附动力学.离子交换方法不改变Cu(Ⅰ)-A沸石的CO、N_2吸附类型,但影响其吸附量.Mn~(2 )基本上未改变Cu(Ⅰ)-A沸石的吸附性质,而Tl~ 和Fe~(2 )则产生显著影啊,其中Fe~(2 )使N_2吸附增强而不利于CO-N_2二元混合气体的分离.采用CuA、MnCuA和TlCuA型沸石,在25℃及2.94×10~5Pa压力下,可将CO从30%提浓到97～99%,CO回收率可达90%.CO在Cu(Ⅰ)-A沸石上的吸附为二级过程,其吸附热为63.5KJ/mol.讨论了CO吸附机理.     

Electron energy loss studies of room-temperature co adsorption on Cu(100) induced by electron or ion irradiation

A custom-built multi-technique portable spectrometer was used to study the vibrational (and electronic) excitations associated with the “anomalous” CO adsorption recently observed on clean and oxidized Cu(100) surfaces at room temperature. Results from the electron energy loss (and thermal desorption) experiments have provided strong evidence for in-situ CO production induced by low-energy electron or ion irradiation of CO or C₂H₄ on Cu(100). In particular, the C-O vibrational stretch frequency for the room-temperature CO adsorption was found to be red-shifted by 9 meV from its nominal position (259 meV) and could be observed even at temperature as high as 420 K. Several plausible mechanisms involving coadsorbate interactions with CO on metal surfaces have been discussed. A direct interaction model involving partial bonding between CO, adsorbed on an atop site, and a coadsorbed O atom in a four-fold hollow site was found to be adequate in explaining the observed red shift and the apparent stabilization of CO on Cu(100) at room temperature.     

Fe(100)表面Cu单层膜上CO的吸附,解离以及C-C偶合反应

采用密度泛函方法研究了Fe(100)表面Cu单层膜上CO的吸附,直接解离,氢助解离以及C-C偶合反应.相比洁净的Fe(100)表面,在Fe(100)的单层Cu膜上,CO的吸附和活化都减弱了.特别是,相比Fe(100)上CO的解离能垒1.08 eV,铜单层膜上CO解离能垒高达2.4 eV.在H原子共吸附的情况下,Fe(1...     

Density Functional Theory Study on the Adsorption of HCNH and CNH2 on Cu（100） Surface

The HCNH and CNH2 adsorption on different coordination sites of Cu（100） was theoretically studied considering the cluster approach. The present calculations show that the bridge site is the most favorite for CNH2 perpendicularly adsorbed on the Cu（100） surface via the C atom. For HCNH absorbed on the Cu（100） surface, the parallel adsorption mode with the C and N atoms nearly directly above the adjacent top sites of Cu（100） surface is the most favored. Both CNH2 and HCNH are strongly bound to the Cu（100） surface with CNH2 which is lightly stable （2.51 kJ·mol^-1）, indicating that both species may be co-adsorbed on the Cu（100） surface.     

Effect of co-adsorbed CO and reaction temperature on the dynamics of N2 desorption under steady-state N2O-CO reaction on Rh(110)

We have investigated the effect of co-absorbed CO and reaction temperature on the angular distribution of N(2) desorption by N(2)O decomposition under the steady state of N(2)O-CO reaction on Rh(110). Spatial distributions of desorbing product N(2) emission have been measured at various surface temperatures and CO coverages. The decomposed N(2) collimates at 48°-61° off normal in the parallel plane to [001] and [110] directions, indicating that adsorbed N(2)O just before the decomposition is oriented along the [001] direction. Although the inclined and collimated N(2) desorption is always observed at any steady-state CO coverage and reaction temperature, the shape of the collimated N(2) distribution varied dependent on the co-adsorbed CO coverage. The distribution becomes sharp and shifts toward the surface normal direction with increasing CO coverage. These effects of adsorbed CO on the angular distribution of N(2) are interpreted by the collision of desorbed N(2) with co-adsorbed CO.     

DFT法研究HCOOH在Pd/WC(0001)上的分解机理（英文）

作为便携式电子设备的动力源,直接甲酸燃料电池(DFAFC)具有燃料跨界范围小、电动势大、甲酸无毒、低温下功率密度大等优点,因而引起了人们的极大兴趣.DFAFC商业化的主要挑战之一是阳极电催化剂材料的高成本和低CO耐受性.阳极通常需要高负载的贵金属电催化剂(Pt或Pd)氧化甲酸(HCOOH)以获得所需的电能.完全电氧化甲酸在Pt和Pd表面上会产生强吸附的CO,从而降低了Pt或Pd催化剂的活性.Pt和Pd储量少且价格昂贵,减少Pt和Pd含量且保持催化性能的燃料电池催化剂一直是研究者的奋斗目标.本文用周期性密度泛函理论(DFT)系统地研究了WC负载的单分子层Pd(Pd/WC(0001))催化剂对甲酸的分解机理,这可为所需的反应路径设计、筛选催化剂提供指导.Trans-HCOOH通过C-H,O-H,C-O键的活化发生分解.关于吸附,确定了可能反应中间体的最稳定吸附构型.trans-HCOOH,HCOO,mHCOO,cis-COOH,trans-COOH,CO,H2O,OH和H的吸附过程是化学吸附,而cis-HCOOH和CO2与Pd/WC(0001)表面的相互作用较弱,是物理吸附.此外,提出了trans-HCOOH分解的不同途径来探索分解机理.trans-HCOOH中O-H,C-H和C-O键的活化能垒分别为0.61,0.77和1.05 eV,O-H键断裂的能垒最小,则trans-HCOOH优先通过O-H键断裂生成HCOO.双齿HCOO是HCOOH分解的主要中间体,它可以转变为单齿HCOO,这条路线生成CO2的能垒比双齿HCOO的低0.04 eV.CO2是HCOO主要解离产物,这一步是总反应的决速步骤.对于cis-COOH和trans-COOH,CO是其主要解离产物.此外,trans-HCOOH也能直接生成CO,但克服的能垒较大.在Pd/WC(0001)表面上分解trans-HCOOH的最有利途径是HCOOH→HCOO→CO2,其中HCOO脱氢形成CO2的步骤是速率决定步骤.本文提供了HCOOH在Pd/WC(0001)表面上分解的活性中间体、能垒和机理的推测,CO形成主要是通过cis-COOH、trans-COOH及HCO的分解,CO2的形成主要是通过HCOO的分解,CO2占主导.该结论与Pd(111)面上甲酸分解结果一致,说明WC作为Pd载体没有改变Pd对甲酸的催化性能,但降低了Pd的使用量.综上,本文阐明了WC负载单分子层Pd催化剂上甲酸催化分解机理,得出甲酸分解的最佳反应路径,为直接甲酸燃料电池设计低贵金属含量、高活性的负载型Pd催化剂提供了理论指导;可用于预测不同载体负载Pd催化剂的性能,大大减少实验成本,以验证提出的实验假设.     

一氧化碳共吸附法确定叔丁胺分子在Cu(111)表面的吸附位

采用扫描隧道显微镜(STM)和密度泛函理论(DFT)研究了78 K时单个叔丁胺分子在Cu(111)表面的吸附位. 我们提出以共吸附的一氧化碳√3 ×√3 超结构为基底铜原子的标识方法, 确定了低覆盖度的叔丁胺分子在Cu(111)表面的吸附位为顶位. 而采用单个一氧化碳分子标识基底铜原子的位置, 同样得出了叔丁胺分子的吸附位为顶位. 此外, 还采用DFT计算叔丁胺分子在Cu(111)表面的优势吸附构型. 理论计算结果表明顶位吸附构型为能量最稳定的构型, 与实验结果相吻合.     

Selective CO2 conversion to formate conjugated with H2O oxidation utilizing semiconductor/complex hybrid photocatalysts

Photoelectrochemical reduction of CO(2) to HCOO(-) (formate) over p-type InP/Ru complex polymer hybrid photocatalyst was highly enhanced by introducing an anchoring complex into the polymer. By functionally combining the hybrid photocatalyst with TiO(2) for water oxidation, selective photoreduction of CO(2) to HCOO(-) was achieved in aqueous media, in which H(2)O was used as both an electron donor and a proton source. The so-called Z-scheme (or two-step photoexcitation) system operated with no external electrical bias. The selectivity for HCOO(-) production was >70%, and the conversion efficiency of solar energy to chemical energy was 0.03-0.04%.     

NO、CO和O_2在铜离子分子筛上吸附的理论研究

以Ｃｕ－ＺＳＭ－５离子交换分子筛为例,利用Ｈａｒｔｒｅｅ－Ｆｏｃｋ和ＤＦＴ理论,对小分子（ＮＯ,ＣＯ和Ｏ２）在Ｃｕ＋上吸附的空间立体模型进行了优化计算 结果表明,ＣＵ＋与小分子之间形成直线形吸附最为稳定,也存在其他成一定角度的吸附,但是不稳定．计算了吸附过程的势能曲线和温度对吸附的影响,在５００－８００ Ｋ的反应温度下,温度越低吸附越稳定．ＮＯ在 Ｃｕ表面能够形成 Ｃｕ＋（ＮＯ）（ＯＮ）双分子吸附．最后,比较了价态的变化对金属吸附性质的影响．