高等学校化学学报 ›› 2019, Vol. 40 ›› Issue (10): 2135.doi: 10.7503/cjcu20190267
陈涛1,方镭1,罗伟1,孟跃2,薛继龙1,夏盛杰1,*(
),倪哲明1,*(
)
收稿日期:2019-05-10
出版日期:2019-10-08
发布日期:2019-09-27
通讯作者:
夏盛杰,倪哲明
E-mail:xiasj@zjut.edu.cn;jchx@zjut.edu.cn
基金资助:
CHEN Tao1,FANG Lei1,LUO Wei1,MENG Yue2,XUE Jilong1,XIA Shengjie1,*(
),NI Zheming1,*(
)
Received:2019-05-10
Online:2019-10-08
Published:2019-09-27
Contact:
XIA Shengjie,NI Zheming
E-mail:xiasj@zjut.edu.cn;jchx@zjut.edu.cn
Supported by:摘要:
利用密度泛函理论(DFT)研究了M12Ni(M=Pt, Sn, Cu) 3种双金属合金团簇的电子活性和结构稳定性, 并探讨了甲烷干法重整反应(DRM)在M12Ni双金属团簇表面的反应能量变化情况. 经比较发现甲烷脱氢和二氧化碳活化过程在Pt12Ni团簇表面进行需克服的活化能垒最低, 反应最易进行. Sn12Ni团簇上生成碳需要较高的活化能, 说明Sn12Ni团簇能够有效抑制焦碳的生成, 一定程度上克服了碳沉积导致的催化剂失活现象, 并且Sn12Ni团簇在C *和CH *氧化过程中表现出最佳的催化活性. Cu12Ni团簇仅在甲烷脱氢过程中表现出较为优异的催化活性.
中图分类号:
TrendMD:
陈涛,方镭,罗伟,孟跃,薛继龙,夏盛杰,倪哲明. 双金属合金团簇M12Ni(M=Pt, Sn, Cu)催化甲烷干法重整反应的理论研究. 高等学校化学学报, 2019, 40(10): 2135.
CHEN Tao,FANG Lei,LUO Wei,MENG Yue,XUE Jilong,XIA Shengjie,NI Zheming. Theoretical Study of Dry Reforming of Methane Catalyzed by Bimetallic Alloy Cluster M12Ni(M=Pt, Sn, Cu) . Chem. J. Chinese Universities, 2019, 40(10): 2135.
| Species | Pt12Ni | Sn12Ni | Cu12Ni | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Optimum adsorption site | Eads/eV | Optimum adsorption site | Eads/eV | Optimum adsorption site | Eads/eV | |
| C | TOP | -0.282 | HOL | -0.201 | TOP | -0.267 |
| C | TOP | -2.626 | HOL | -2.008 | TOP | -2.393 |
| C | HOL | -4.713 | TOP | -2.973 | TOP | -4.276 |
| CH* | HOL | -6.744 | BRI | -4.530 | TOP | -6.033 |
| C* | HOL | -7.102 | HOL | -3.655 | TOP | -5.879 |
| C | HOL | -0.596 | HOL | -0.186 | BRI | -0.524 |
| CO* | TOP | -2.534 | HOL | -0.217 | TOP | -1.656 |
| H* | TOP | -2.933 | TOP | -2.123 | HOL | -2.858 |
| TOP | -1.192 | BRI | -0.134 | BRI | -0.403 | |
| O* | HOL | -4.501 | BRI | -4.567 | BRI | -5.786 |
| OH* | BRI | -2.976 | BRI | -2.850 | HOL | -3.844 |
| H2O* | HOL | -0.589 | HOL | -0.263 | TOP | -0.632 |
| CHO* | BRI | -3.968 | BRI | -1.464 | BRI | -3.125 |
| COH* | HOL | -4.009 | TOP | -3.024 | TOP | -3.913 |
| COOH* | TOP | -3.114 | HOL | -1.824 | BRI | -2.799 |
| CHOH* | HOL | -3.719 | BRI | -1.823 | BRI | -3.157 |
Table 1 Adsorption energy of 16 active species on three clusters
| Species | Pt12Ni | Sn12Ni | Cu12Ni | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Optimum adsorption site | Eads/eV | Optimum adsorption site | Eads/eV | Optimum adsorption site | Eads/eV | |
| C | TOP | -0.282 | HOL | -0.201 | TOP | -0.267 |
| C | TOP | -2.626 | HOL | -2.008 | TOP | -2.393 |
| C | HOL | -4.713 | TOP | -2.973 | TOP | -4.276 |
| CH* | HOL | -6.744 | BRI | -4.530 | TOP | -6.033 |
| C* | HOL | -7.102 | HOL | -3.655 | TOP | -5.879 |
| C | HOL | -0.596 | HOL | -0.186 | BRI | -0.524 |
| CO* | TOP | -2.534 | HOL | -0.217 | TOP | -1.656 |
| H* | TOP | -2.933 | TOP | -2.123 | HOL | -2.858 |
| TOP | -1.192 | BRI | -0.134 | BRI | -0.403 | |
| O* | HOL | -4.501 | BRI | -4.567 | BRI | -5.786 |
| OH* | BRI | -2.976 | BRI | -2.850 | HOL | -3.844 |
| H2O* | HOL | -0.589 | HOL | -0.263 | TOP | -0.632 |
| CHO* | BRI | -3.968 | BRI | -1.464 | BRI | -3.125 |
| COH* | HOL | -4.009 | TOP | -3.024 | TOP | -3.913 |
| COOH* | TOP | -3.114 | HOL | -1.824 | BRI | -2.799 |
| CHOH* | HOL | -3.719 | BRI | -1.823 | BRI | -3.157 |
| Elementary reaction | Pt12Ni | Sn12Ni | Cu12Ni | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | |
| C | 0.295 | -0.252 | 2.981 | 1.687 | 1.142 | 0.009 |
| C | 0.577 | -0.003 | 3.809 | 2.348 | 1.548 | 0.322 |
| C | 0.187 | -0.160 | 0.802 | 0.016 | 0.031 | -0.004 |
| CH*=C*+H* | 0.238 | -0.717 | 2.809 | 2.306 | 0.601 | 0.005 |
Table 2 Activation energy(Ea) and reaction energy change(ΔE) of methane dehydrogenation process on three clusters
| Elementary reaction | Pt12Ni | Sn12Ni | Cu12Ni | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | |
| C | 0.295 | -0.252 | 2.981 | 1.687 | 1.142 | 0.009 |
| C | 0.577 | -0.003 | 3.809 | 2.348 | 1.548 | 0.322 |
| C | 0.187 | -0.160 | 0.802 | 0.016 | 0.031 | -0.004 |
| CH*=C*+H* | 0.238 | -0.717 | 2.809 | 2.306 | 0.601 | 0.005 |
| Elementary reaction | Pt12Ni | Sn12Ni | Cu12Ni | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | |
| C | 0.710 | 0.354 | 3.337 | 3.049 | 1.284 | -0.145 |
| C | 0.499 | 0.035 | 3.316 | 0.204 | 4.607 | 1.228 |
| COOH*=CO*+OH* | 1.180 | -0.235 | 1.494 | 0.657 | 0.589 | -0.787 |
Table 3 Activation energy(Ea) and reaction energy change(ΔE) of carbon dioxide activation processes on three clusters
| Elementary reaction | Pt12Ni | Sn12Ni | Cu12Ni | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | |
| C | 0.710 | 0.354 | 3.337 | 3.049 | 1.284 | -0.145 |
| C | 0.499 | 0.035 | 3.316 | 0.204 | 4.607 | 1.228 |
| COOH*=CO*+OH* | 1.180 | -0.235 | 1.494 | 0.657 | 0.589 | -0.787 |
| Elementary reaction | Pt12Ni | Sn12Ni | Cu12Ni | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | |
| C*+O*=CO* | 0.150 | -0.481 | 0.046 | -0.006 | 0.235 | -0.020 |
| C*+OH*=COH* | 1.413 | 0.822 | 0.140 | 0.017 | 0.642 | -0.003 |
| COH*=CO*+H* | 1.372 | -2.013 | 1.736 | -1.101 | 1.872 | -1.295 |
| CH*+O*=CHO* | 0.222 | 0.036 | 0.049 | -0.235 | 1.983 | -0.195 |
| CHO*=CO*+H* | 0.092 | -1.041 | 1.576 | 0.434 | 0.396 | -0.679 |
| CH*+OH*=CHOH* | 3.536 | 1.460 | 0.964 | 0.239 | 1.541 | 0.850 |
| CHOH*=CHO*+H* | 2.541 | -0.889 | 2.378 | -1.060 | 0.012 | -0.850 |
| CHOH*=COH*+H* | 3.081 | 0.340 | 2.394 | 1.663 | 0.920 | -0.003 |
Table 4 Activation energy(Ea) and reaction energy change(ΔE) of C* and CH* oxidation processes on three clusters
| Elementary reaction | Pt12Ni | Sn12Ni | Cu12Ni | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | |
| C*+O*=CO* | 0.150 | -0.481 | 0.046 | -0.006 | 0.235 | -0.020 |
| C*+OH*=COH* | 1.413 | 0.822 | 0.140 | 0.017 | 0.642 | -0.003 |
| COH*=CO*+H* | 1.372 | -2.013 | 1.736 | -1.101 | 1.872 | -1.295 |
| CH*+O*=CHO* | 0.222 | 0.036 | 0.049 | -0.235 | 1.983 | -0.195 |
| CHO*=CO*+H* | 0.092 | -1.041 | 1.576 | 0.434 | 0.396 | -0.679 |
| CH*+OH*=CHOH* | 3.536 | 1.460 | 0.964 | 0.239 | 1.541 | 0.850 |
| CHOH*=CHO*+H* | 2.541 | -0.889 | 2.378 | -1.060 | 0.012 | -0.850 |
| CHOH*=COH*+H* | 3.081 | 0.340 | 2.394 | 1.663 | 0.920 | -0.003 |
| Elementary reaction | Pt12Ni | Sn12Ni | Cu12Ni | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | |
| H*+H*= | 0.389 | 0.002 | 0.668 | -1.128 | 1.296 | 0.619 |
| H*+OH*=H2O | 0.617 | -0.378 | 0.343 | -1.132 | 1.954 | 0.343 |
Table 5 Activation energy(Ea) and reaction energy change(ΔE) of H2 and H2O formation processes on three clusters
| Elementary reaction | Pt12Ni | Sn12Ni | Cu12Ni | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | Ea/eV | ΔE/eV | |
| H*+H*= | 0.389 | 0.002 | 0.668 | -1.128 | 1.296 | 0.619 |
| H*+OH*=H2O | 0.617 | -0.378 | 0.343 | -1.132 | 1.954 | 0.343 |
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