甲酸在Pt@Cu单原子合金催化剂上分解机理的理论研究

来源 :河南师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liqiusheng2009
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甲酸室温下呈液态,容易储藏和运输,因其能量密度高,被认为是最有前景的储氢材料之一。选择合适、高效的催化剂用于HCOOH分解是一个重要研究课题。Cu催化剂常用于催化HCOOH分解制氢,但催化效率无法令人满意;以Pd和Pt基催化剂广泛用于HCOOH燃料电池中,但存在CO使催化剂中毒和原子利用率低的问题。针对这些问题,本文选择了Pt@Cu单原子合金作为HCOOH分解的催化剂,探讨HCOOH的吸附与分解机理。本文以密度泛函理论为基础,使用Slab模型构建了Cu(111)和Pt1Cu(111)表面,计算了吸附能、活化能以及反应热等,详细的研究了HCOOH在Pt1Cu(111)表面上的分解机理,并与Cu(111)表面上HCOOH机理进行了比较。结果如下:(1)对于HCOOH在Cu(111)和Pt1Cu(111)表面上的吸附,主要存在垂直吸附和平行吸附两种情况。通过优化计算的吸附能确定了最稳定的吸附构型。在这两个表面上,当HCOOH垂直吸附于表面时,吸附能最大,结构最稳定,并且都是通过羰基的O原子吸附在表面Cu原子的top位;但HCOOH平行吸附于表面的方式略有不同,Cu(111)表面上,HCOOH的C原子处于top位,两个O原子均在bridge位,Pt1Cu(111)表面上,HCOOH羰基和羟基中的O原子分别位于表面Cu原子和Pt原子的top位,C原子位于hollow位。(2)对于HCOOH在Cu(111)和Pt1Cu(111)表面上的分解机理,主要从垂直吸附构型和平行吸附构型出发,经过HCOO、COOH和HCO三种中间体,探究了七条可能的路径:Ⅰ.HCOOH→HCOObi+H→CO2+2H,Ⅱ.HCOOH→HCOObi+H→HCOOrmo+H→CO2+2HⅢ.HCOOH→HCOObi+H→HCOOfmo+H→CO2+2HⅣ.HCOOH→HCOOfmo+H→CO2+2HⅤ.HCOOH→H+trans-COOH→CO2+2HⅥ.HCOOH→H+cis-COOH→H+CO+OH→CO+H2OⅦ.HCOOH→HCO+OH→CO+H2O(3)对比Cu(111)和Pt1Cu(111)表面上HCOOH逐步分解的机理,发现平行吸附的HCOOH更有利于选择性的进行分解。从整个反应来看,两表面上生成CO2的限速步是HCOObi→CO2+H,生成CO的限速步是HCOOH→HCO+OH。(4)表面掺杂的Pt原子不构成主要吸附位点,其主要作用在于降低HCOOH断裂C-H和O-H键的能垒。
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