不同晶面的Pt-Ni催化剂表面甲醇的吸附及脱氢反应机理研究

摘要

催化剂表面的吸附和反应研究无论在催化科学领域还是工业应用及环境保护方面都有极其重要的意义，也是当前研究的热门课题之一。固体催化剂的不同晶面由于其原子排列、电子结构等特性不同，使得所具有的性质也不同。这些性质主要包括对吸附质的吸附性、稳定性，对化学键的选择性以及对化学反应的催化活性等。因此，从原子水平上研究催化剂不同晶面的特性十分重要，不仅有助于更好的理解催化剂表面上的化学反应，更有利于调控催化剂的性能。目前从电子结构入手从分子尺度上控制物质性能的方法不仅仅被用于催化剂领域，而是成为整个化学、物理和材料科学领域的一个共同的思路。
　　本学位论文以甲醇的脱氢反应作为研究反应体系，使用密度泛函理论方法(DFT)研究了其在Pt-Ni合金表面的反应过程，构建反应势能面以及反应网络力求从微观层面深入解释反应机理，在已有实验研究的基础上，通过将实验现象和理论计算的结果加以比较分析，从而确定控制反应进行的关键步骤及影响因素，为设计更好的催化剂提供理论指导。通过DFT计算并结合周期性平板模型，进行了结构优化、过渡态搜索及反应势能面构建;采用态密度、功函数变化、Bader电荷分析等手段实现了对吸附构型及各基元反应过程的电子结构分析;进一步探讨了反应微观动力学分析对反应选择性的决定因素。本论文的主要内容及结果如下:
　　1.研究了CH3OH在Pt3Ni催化剂的(111)、(100)和(110)表面上的吸附行为。利用DFT方法以及范德华校正(vdW)优化了CH3OH在Pt3Ni催化剂的(111)、(100)和(110)面上吸附的结构并且计算了相应的吸附能，分析结果表明CH3OH在Pt3Ni催化剂上的吸附强度遵循(110)＞(111)＞(100)顺序。同时从结构中Ni的d带中心相对于费米能级的移动、态密度、Bader电荷分析、功函变化以及CH3OH对不同表面的极化作用等方面讨论了CH3OH吸附行为的机理。结果发现在吸附过程中Ni原子或者周围含Ni原子多的位点有利于CH3OH的吸附，即配体效应明显。同时极化作用也对吸附有一定的影响。本章结果为适用于非均相催化的纳米结构催化剂表面的合理设计和构建提供理论指导。
　　2.研究了Pt3Ni(111)上的甲醇分解反应机理。利用DFT方法以及范德华校正优化了CH3OH及其在Pt3Ni(111)上分解的中间体的结构、吸附稳定性和最佳吸附位点，发现由于Pt3Ni(111)表面上的Pt和Ni原子分别带有少量的负电荷和正电荷，大多数中间体（如自由基中间体和具有孤对电子的物质）易于吸附在Ni位点周围。根据相关过渡态的空间位阻效应和电子结构以及Br(o)nsted-Evans-Polanyi(BEP)关系讨论了通过O-H，C-H和C-O键的初始断裂的可能途径，研究发现，CH3OH分解最初优先发生O-H键断裂而不是C-H和C-O键断裂。结合分解途径中基元反应步骤的热化学信息和反应能垒最终得到反应最佳路径。计算这些中间体吸附状态的振动频率，并利用简谐过渡态理论计算每个可能基元步骤的反应速率常数。构造势能面(PES)，确定反应速控步，获得反应最佳途径是CH3OH→CH3O→CH2O→CHO→CO，其中O-H键的断裂是速控步。通过本工作与其他系统的结果比较时发现在DMFCs中Pt3Ni(111)可以有效地促进甲醇分解和减轻CO中毒问题。CH3OH及其分解中间体在Pt3Ni(111)吸附行为主要受配体效应影响，其脱氢过程主要受几何效应影响。本章结果将为更好的理解直接甲醇燃料电池(DMFC)中的PtNi阳极特性以及提高DMFC性能提供了理论指导。
　　3.研究了Pt3Ni(100)上的甲醇分解反应。利用DFT方法以及范德华校正(vdW)优化了CH3OH及其在Pt3Ni(100)上分解的中间体的结构、吸附稳定性和最佳吸附位点，研究发现，与Pt3Ni(111)表面类似，在Pt3Ni(100)上大多数中间体（如自由基中间体和具有孤对电子的物质）易于吸附在Ni位点周围，其中Pt和Ni均对脱氢反应起协同催化作用。根据相关过渡态的空间位阻效应和电子结构以及BEP关系讨论了发生O-H，C-H和C-O键初始断裂的可能途径，结果发现CH3OH分解起始发生O-H断裂在热力学和动力学上最有利，C-H键断裂的活化能比O-H键断裂稍低，在常温下也可能发生，因此认为在Pt3Ni(100)表面上O-H断裂与C-H键断裂存在竞争机制。C-O键断裂在常温下最难发生。反应最佳途径是CH3OH→CH3O→CH2O→CHO→CO，其中CHO中C-H键的断裂是速控步，与Pt3Ni(111)面上的速控步不同。此结果将为更好的理解PtNi合金的(100)面对合金总的催化性能的贡献以及提高DMFC性能提供了理论指导。

目录

声明

摘要

本论文的主要创新点

第一章 绪论

1．1．1 基本概念及理论

1．1．2 固体表面特点

1．1．3 固体表面催化实验研究

1．1．4 固体表面催化理论研究

1．2 过渡金属催化剂

1．2．1 特性及影响因素

1．3 小分子在过渡金属表面的作用

1．3．1 自由基型原子

1．3．2 双原子分子

1．3．3 含有孤对电子的分子

1．3．4 不饱和烃

1．3．5 饱和烃

1．4 课题选择、研究目的及内容

1．4．1 研究背景

1．4．2 研究现状

第二章 密度泛函理论及计算方法

2．1 引言

2．3 Hohenberg-Kohn定理

2．4 Kohn-Sham方程

2．5 交换关联泛函

2．5．1 局域密度近似(LDA)

2．5．2 广义梯度近似(GGA)

2．5．3 杂化密度泛函(hybrid-GGA)

2．6 赝势

2．7 过渡态理论

2．7．1 过渡态

2．7．2 过渡态搜索算法

2．8 计算软件

第三章 Pt3Ni纳米催化剂上甲醇吸附行为机理研究

3．1 引言

3．2 计算方法及模型

3．3 结果与讨论

3．3．1 CH3OH在Pt3Ni(111)、Pt3Ni(100)、Pt3Ni(110)表面的吸附结构

3．3．2 吸附能

3．3．3 态密度

3．3．4 功函变化和Bader电荷分析

3．4 结论

第四章 甲醇在Pt3Ni(111)表面分解动力学机理的理论研究

4．1 引言

4．2 计算方法和模型

4．3 结果

4．3．1 结构与吸附能

4．3．2 脱氢反应

4．4 讨论

4．4．1 吸附位点分析

4．4．2 CH3OH分解中初始步骤分析

4．4．3 初始发生O-H、C-H和C-O断裂的能垒分析

4．4．4 分解机理和势能面(PES)

4．4．5 与其他体系比较

4．5 结论

第五章 甲醇在Pt3Ni(100)表面分解动力学机理的理论研究

5．1 引言

5．2 计算方法及模型

5．3 结果

5．3．1 结构与吸附能

5．3．2 分解反应

5．4 讨论

5．4．1 吸附位点分析

5．4．2 CH3OH分解中起始步骤分析

5．4．3 发生O-H、C-H和C-O断裂的能垒分析

5．4．4 分解机理和势能面(PES)

5．5 结论

第六章 总结与展望

参考文献

附录

在读期间发表的学术论文

致谢