含铂二元金属团簇对甲醇氧化反应催化性能的密度泛函理论研究

发布时间：2020-09-09 21:45

　　 众所周知,金属铂因其催化活性高,一直作为直接甲醇燃料电池首选的阳极催化剂。但是纯铂作为阳极催化剂具有两个致命的缺点,限制了甲醇燃料电池的商业化应用。第一,由于金属铂是一种贵金属,在地球上的存储量有限,导致纯铂催化剂的造价很高。第二,甲醇在纯铂的催化下分解会生成一氧化碳,极易吸附在纯铂催化剂上使催化剂中毒,导致催化剂的利用率低。所以,寻找一种可以代替纯铂的高效、廉价的催化剂是直接甲醇燃料电池迈向商业化应用的重中之重。本文中,我们采用密度泛函理论主要研究了甲醇在铂铜二元金属团簇和铁铂二元金属团簇上的两条不同的氧化反应路径,(1)甲醇直接脱氢,生成一氧化碳的反应路径;(2)甲醇分解时有羟基的参与,发生氧化反应生成甲酸后再脱氢,生成二氧化碳的反应路径。讨论了反应中最稳定的结构、甲醇在团簇上的吸附能、每一步反应所需跨越的能垒、反应的势能面以及甲醇与团簇间的电子转移情况。我们的主要研究结果如下:通过计算得到的势能面表明,对于Pt_7,Pt_3Cu_4和Cu_7三种团簇都可以催化甲醇发生氧化反应。每种团簇都有各自的优点和反应趋势。Pt_7团簇最适合的反应路径是甲醇直接脱氢,生成一氧化碳和氢原子,反应所需跨越的能垒较另外两种团簇都低。但是生成的一氧化碳会导致催化剂中毒。对于Cu_7团簇来说,甲醇不易直接分解,更倾向于发生氧化反应最终脱氢生成二氧化碳。在Pt_3Cu_4团簇上,甲醇脱氢需要的能量比Cu_7团簇低,也是倾向于发生氧化反应生成最终产物二氧化碳。对于Fe_7,Fe_3Pt_4和Pt_7这三种团簇的比较来说,甲醇直接脱氢的每一步反应需要跨越的能垒都比较低,甲醇都能直接分解脱氢生成一氧化碳。其中甲醇在Pt_7团簇上分解所需的能量最低。对于羟基参与氧化的反应路径来说,Fe_7团簇催化生成甲酸和甲酸分解脱氢第二步HCOO分解的反应能垒过高,反应很难发生,说明在Fe_7团簇上这条反应路径没有竞争力。而在另两种团簇的催化作用下,虽然根据反应能垒来说可以发生反应,但是与甲醇直接分解的反应相比能垒更高,在两种反应路径的竞争中处于劣势,更适合发生甲醇直接分解的反应。以上的研究结果证明了铂铜二元金属团簇和铁铂二元金属团簇对甲醇的分解和氧化具有很好的催化性能,为实验研究铂铜二元金属团簇和铁铂二元金属团簇的催化性能提供理论依据,为设计出更高效的有实用价值的甲醇燃料电池阳极催化剂提供参考价值。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O643.31;TM911.4
【部分图文】：

图 1.1 直接甲醇燃料电池运行原理电池的阳极，进入的甲醇经过催化剂的催化，发生电化学氧化，，质子和电子。质子通过质子交换膜在阴极与氧气发生电化学还而电子经过导线从电池的阳极传导到电池的阴极，并对外做功。

图 1.2 甲醇燃料电池阳极中一氧化碳的生成机理CH3OH + Pt → Pt-CH3O + H++ e-(1Pt-CH3O → Pt-HCHO + H++ e-(1Pt-HCHO → Pt-HCO + H++ e-(1

势能面上的特殊点

【参考文献】

相关期刊论文 前1条

1 罗远来;梁振兴;廖世军;;直接甲醇燃料电池阳极催化剂研究进展[J];催化学报;2010年02期

本文编号：2815512