功能化二维材料上小分子吸附和转化的第一性原理研究

发布时间：2017-12-08 14:14

  本文关键词：功能化二维材料上小分子吸附和转化的第一性原理研究

  更多相关文章： 掺杂 CO_2 吸附 六方氮化硼 单原子催化

【摘要】：近年来,二维材料的研究与应用得到了广泛的关注。二维材料具有特殊的层状结构、独特的光学和电子性质、较大的比表面积、优异的机械性能和化学反应特性。功能化二维材料即通过对二维材料进行化学修饰,如引入氮、硫、氧以及过渡金属等掺杂原子和活性官能团,来改进二维材料的电子结构和物理化学性质,使之能更好地应用在气体吸附与分离、多相催化等领域。本文通过大量第一性原理电子结构计算,系统研究了氮掺杂碳材料对CO_2的吸附性能、Re掺杂六方氮化硼催化CO_2还原反应及Pt掺杂六方氮化硼催化乙烯氧化反应的机理,主要内容如下：首先,我们采用第一性原理方法,研究了四种不同尺寸、掺杂七种不同含氮基团的碳材料上五个不同类型的位点对CO_2的吸附,深入了解了氮掺杂碳材料吸附CO_2的作用形式以及其增强CO_2吸附的机理。发现含氮碳材料吸附CO_2时,主要有三类吸附方式：(1)通过边缘氢键吸附,此种类型的吸附很弱,最强的吸附能仅-5.07 kJ/mol;(2)含氮基团本身可以通过N原子、O原子与CO_2作用,且吸附剂原子上负电荷含量越高、吸附能越大；(3)四配位N、吡咯N、-NH_2等基团的引入可以增加碳材料边缘碳上负电荷含量,从而增强OE site的吸附能力。由于OE site位点数量多,此类官能团的引入不仅可以增强CO_2的吸附,还可以增加吸附总量。这为高效CO_2吸附和分离材料的设计和应用提供了指导。其次,我们利用第一性原理方法研究了Re掺杂六方氮化硼催化CO_2还原的反应机理。结果表明,ReBSV能很好地活化吸附的O_2和H_2。CO_2依次与三分子的H_2作用,可将CO_2最终还原为甲醇。反应均按照Langmuir-Hinshelwood机理进行：首先CO_2和H_2共吸附在ReBSV上,二者协同分解后反应得CO和H_2O;H_2O脱附之后,吸附的CO进一步与H_2反应生成甲醛；最后甲醛与一分子的H_2反应得甲醇；甲醇脱附后ReBSV催化剂再生,完成一个催化循环。反应过程中能垒均小于1.0 eV,说明ReBSV是一种潜在的CO_2还原反应的催化剂。结果还表明,如能适当改进过渡金属结构的亲氧能力,将可以改变反应的热力学,进一步促进CO_2还原物种的生成。最后,我们利用第一性原理方法研究了Pt掺杂六方氮化硼催化乙烯氧化的反应机理。结果表明,在PtBSV上乙烯氧化过程中,由于Pt原子上活化和吸附的配位点有限,Pt无法参与氢转移反应,有效抑制了乙醛的生成。反应按照双分子活化机理进行。首先乙烯和O_2共吸附后生成五元环状过氧化物中间体；五元环中间体解离生成环氧乙烷和吸附的O原子；环氧乙烷脱附后,另一分子的乙烯与活化的O原子通过Eley-Rideal机理生成环氧乙烷脱附完成催化剂再生。五元环中间体形成和分离以及催化剂再生的能垒分别为0.29 eV、0.70 eV和0.17 eV,说明PtBSV是一种潜在的性能优异的乙烯氧化催化剂。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34;O647.31

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