氧族元素掺杂Cu 4 团簇电化学催化还原CO 2 的理论研究以及此过程对中学物理教学思路的启发
发布时间：2021-07-21 12:18
随着工业社会的发展,二氧化碳的排放量与日俱增,将二氧化碳转换成具有高附加值的碳氢化合物已成为当今社会关注的热点问题。电化学还原的方法由于反应条件温和、转化率高,能够将二氧化碳转换成高能量密度的燃料而受到广泛关注。在电化学催化还原二氧化碳反应中,催化剂是非常重要的组成部分,而具有纳米尺寸的团簇相比于块体材料和孤立原子在反应中可以有效降低反应能垒、提高反应效率和产物选择性。近年来,Cu4纳米团簇是电还原二氧化碳反应中活性最高的低压催化剂,而其中掺杂Cu4团簇的二元体系催化剂可通过改变团簇电子结构而提升催化性能。因此,本论文选取氧族元素中的O、S、Se原子分别掺杂在Cu4团簇上作为电化学还原二氧化碳反应的催化剂,研究了整个电化学催化过程的反应路径及机理,并对团簇结构、吸附自由能、反应自由能、电子性质等进行探讨。本文通过CALYPSO软件对掺杂团簇（Cu4O,Cu4S,Cu4Se）进行搜索并得到全局最小能量结构,在此基础上对二氧化碳进行化学吸附和电化学吸附,通过这两种不同的吸附路径对二氧化碳进行催化反应,产物CH4和少量CH3OH都可作为清洁能源进行使用,这也符合目前所倡导的可持续发展路线。在...
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
掺杂团簇的全局最小构型
(c) Cu4Se 团簇上电化学催化还原 CO2的可能路径图 3 掺杂团簇上电化学催化还原 CO2的可能路径3.3.4 Cu4O 团簇上 CO2电化学催化还原成 CH4的反应机理由于产生 CH4的能垒较小，因此将生成 CH4的路径定义为在掺杂团簇上电化学催化还原 CO2最可能发生的反应路径。图 4 (a)中的蓝色路径展示了在 Cu4O 团簇上电化学催化还原的最低能量路径。在这条路径中，Cu4O 团簇首先对 CO2进行电化学吸附并形成 （状态 2），随后 经过氢化反应会解离成 H2O 分子。团簇中剩余的 C 原子和 O 原子会形成 （状态 3），其中*表示吸附物种。接下来 会经历连续的四步氢化过程分别形成 （状态 4）， 2 （状态 5）， 3 （状态 6）以及 CH4（状态 7）。当 CH4释放后，剩余的 会随之发生氢化反应形成 （状态 8）并最终解离成 H2O 分子。在整个的反应路径中，每一步基本反应都是电化学反应，并且要求在吸附的过程中从溶液到团簇上转移一个 ++ 对。尽管在 Cu4O 团簇上进行的电化学催化还原 CO2反应过程与反应产物和 Cu4团簇上的反应类似，但是两
(b)图 4 在 Cu4O 团簇上将 CO2电化学催化还原为 CH4的反应路径。 (a)没有施加电位的反应路径; (b)在-0.68V 的施加电位下的反应路径。为了与电化学催化还原反应进行对比，我们也进行 CO2的化学吸附还原路径（红色路径，图 4(a)）。首先，Cu4O 团簇在 C-O 键分裂这一步表现为吸热反应并且有较低的电势，这就意味着此反应比较容易在室温下进行。在化学吸附 CO2的还原路径中，Cu4O 团簇与 CO2分子进行化学吸附并形成 2 （2b），再经历 C-O（3b）的过渡态形成 和 （4b）。在这之后，4b 中的 会经过与电化学反应中相似的连续氢化反应最终生成 CH4。从 4b ( + )到 7b ( 3 + )过程中，团簇上被吸附的 O原子处于热力学稳定状态，并且是被吸附在团簇上，并不参与氢化反应，从而使得反应能够尽量避免析氢反应的发生。在生成 CH4之后，反应体系中剩余的两个 O 原子分别发生氢化反应生成( + )（9b）和2( )（10b），最终还原为两个 H2O 分子。在 CO2的化学吸附还原路径中，反应的前两步，即 CO2的化学吸附和 C-O 键分+
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅谈中学数学教学中学生创新能力的培养[J]. 李艳丽. 现代交际. 2016(17)
[2]水溶液中电化学还原CO2的研究进展[J]. 张现萍,黄海燕,靳红利,俞英,陈英敦. 化工进展. 2015(12)
[3]物理教学中科研思维能力培养的研究[J]. 熊红彦,门高夫,王光建. 河北工程大学学报(社会科学版). 2015(03)
[4]新课程背景下的中学物理前沿问题教学探讨[J]. 郑丑生,唐利强. 当代教育理论与实践. 2011(01)
[5]浅谈现代物理前沿科学教学[J]. 逯小录. 中国校外教育. 2009(S5)
[6]Ni-La催化剂上乙醇水蒸气重整制氢——燃料电池氢源技术[J]. 张利峰,王一平,黄群武. 分子催化. 2008(05)
博士论文
[1]CALYPSO结构预测方法及应用[D]. 王彦超.吉林大学 2013
硕士论文
[1]中学物理前沿知识教学设计研究[D]. 唐香玉.湖南科技大学 2015
[2]多孔铜电极的制备及其电催化CO2还原的研究[D]. 赵金虎.华中师范大学 2012
本文编号：3295009
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
掺杂团簇的全局最小构型
(c) Cu4Se 团簇上电化学催化还原 CO2的可能路径图 3 掺杂团簇上电化学催化还原 CO2的可能路径3.3.4 Cu4O 团簇上 CO2电化学催化还原成 CH4的反应机理由于产生 CH4的能垒较小，因此将生成 CH4的路径定义为在掺杂团簇上电化学催化还原 CO2最可能发生的反应路径。图 4 (a)中的蓝色路径展示了在 Cu4O 团簇上电化学催化还原的最低能量路径。在这条路径中，Cu4O 团簇首先对 CO2进行电化学吸附并形成 （状态 2），随后 经过氢化反应会解离成 H2O 分子。团簇中剩余的 C 原子和 O 原子会形成 （状态 3），其中*表示吸附物种。接下来 会经历连续的四步氢化过程分别形成 （状态 4）， 2 （状态 5）， 3 （状态 6）以及 CH4（状态 7）。当 CH4释放后，剩余的 会随之发生氢化反应形成 （状态 8）并最终解离成 H2O 分子。在整个的反应路径中，每一步基本反应都是电化学反应，并且要求在吸附的过程中从溶液到团簇上转移一个 ++ 对。尽管在 Cu4O 团簇上进行的电化学催化还原 CO2反应过程与反应产物和 Cu4团簇上的反应类似，但是两
(b)图 4 在 Cu4O 团簇上将 CO2电化学催化还原为 CH4的反应路径。 (a)没有施加电位的反应路径; (b)在-0.68V 的施加电位下的反应路径。为了与电化学催化还原反应进行对比，我们也进行 CO2的化学吸附还原路径（红色路径，图 4(a)）。首先，Cu4O 团簇在 C-O 键分裂这一步表现为吸热反应并且有较低的电势，这就意味着此反应比较容易在室温下进行。在化学吸附 CO2的还原路径中，Cu4O 团簇与 CO2分子进行化学吸附并形成 2 （2b），再经历 C-O（3b）的过渡态形成 和 （4b）。在这之后，4b 中的 会经过与电化学反应中相似的连续氢化反应最终生成 CH4。从 4b ( + )到 7b ( 3 + )过程中，团簇上被吸附的 O原子处于热力学稳定状态，并且是被吸附在团簇上，并不参与氢化反应，从而使得反应能够尽量避免析氢反应的发生。在生成 CH4之后，反应体系中剩余的两个 O 原子分别发生氢化反应生成( + )（9b）和2( )（10b），最终还原为两个 H2O 分子。在 CO2的化学吸附还原路径中，反应的前两步，即 CO2的化学吸附和 C-O 键分+
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅谈中学数学教学中学生创新能力的培养[J]. 李艳丽. 现代交际. 2016(17)
[2]水溶液中电化学还原CO2的研究进展[J]. 张现萍,黄海燕,靳红利,俞英,陈英敦. 化工进展. 2015(12)
[3]物理教学中科研思维能力培养的研究[J]. 熊红彦,门高夫,王光建. 河北工程大学学报(社会科学版). 2015(03)
[4]新课程背景下的中学物理前沿问题教学探讨[J]. 郑丑生,唐利强. 当代教育理论与实践. 2011(01)
[5]浅谈现代物理前沿科学教学[J]. 逯小录. 中国校外教育. 2009(S5)
[6]Ni-La催化剂上乙醇水蒸气重整制氢——燃料电池氢源技术[J]. 张利峰,王一平,黄群武. 分子催化. 2008(05)
博士论文
[1]CALYPSO结构预测方法及应用[D]. 王彦超.吉林大学 2013
硕士论文
[1]中学物理前沿知识教学设计研究[D]. 唐香玉.湖南科技大学 2015
[2]多孔铜电极的制备及其电催化CO2还原的研究[D]. 赵金虎.华中师范大学 2012
本文编号：3295009
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