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人工碳循环催化过程中的微观机理理论研究

发布时间:2021-03-25 07:52
  工业革命以来,大气中CO2浓度激增,造成全球变暖、物种灭绝、土地退化等一系列重大环境问题。与此同时,随着不可再生化石能源大量消耗,开发可代替的新能源迫在眉睫。另一方面,空气中由于交通、发电等过程,大量排放毒害性气体,严重危害人体健康。因此人类设想建立碳中和能源计划,即通过人工碳循环方式,将大气中过量CO2转化为增值的可再生燃料,平衡大气中CO2浓度同时生成高热值的CO;同时,我们设立利用高效催化剂将大气中逸散的CO氧化为无毒的CO2,这无疑是一种新型、环保、且可控的循环转化技术。然而,在反应过程中催化剂电子结构如何动态演变?反应过程中的主要瓶颈在哪里?反应过程中物质相互作用机理如何?由于现有表征手段有限,超快的电子转移行为难以追踪,这些问题仍然是一个“黑匣子”。这也限制了我们对于催化剂构效关系以及作用机理的理解,不利于理性设计新型材料。幸运的是,随着高性能计算机的不断发展和计算理论的逐步完善,理论模拟为解决上述问题开辟了新道路。第一性原理计算从原子尺度、电子结构出发,帮助人们深入理解催化中微观机理,进而更好的进行材料设计,并模拟设计材料可行性,缩短研发周期,降低成本。本文基于密度泛函理... 

【文章来源】:中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】:67 页

【学位级别】:硕士

【部分图文】:

人工碳循环催化过程中的微观机理理论研究


图1-1利用助催化剂在半导体光催化剂上发生c〇2还原的可能机理示意图l13]???由上方机理图,我们可以总结出拥有适宜氧化还原助催化剂介导的半导体上,??

过程图,光催化,电荷,异质结


ti0r5?recambmstion?|??(祕)|?|??!?i??VB—l:—???—??; ̄卜t*!??邀,也产1??省严…?秦__一吟趣一?§??_?參■■嫌/??—^:::::::::::::二二????J??j?j?j??j?^UCti〇n?|?j?^^-^Nl^eduction?:??:?|i??j?ji?:??I?vb?>?<^!d3tion!?|?-—r-v?^?I??j??;?j?|??n-type?j|?p-type??图1-2光催化过程中对于不同异质结电荷分离与转移图示I2'??电荷分离和转移,从而产生在任何单相中都没有的优异光催化活性[29,30]。同时,??宽带隙半导体金属氧化物和混合氧化物催化还原C02也被广泛研宄,这类光催??化剂可根据价层d电子结构分为两种:第一种是具有dG电子构型的金属阳离子,??例如?Zr4'?Nb5+,?Ta5+,V5+和?W6+,主要是二元氧化物(Zr〇2,?Nb2〇5?和?Ta2〇5)??以及具有钛酸盐,铌酸盐和钽酸盐相关钙钛矿结构的混合氧化物(SrT103,??NaNb〇3,?KTa〇3和Sr2Ta2〇7)?[3U2]。另一种为具有d1G电子构型的金属氧化物或??混合氧化物(Zn2Ge〇4,?Ga203和ImGe207)?[33]。而在上述光催化剂中,钙钛矿??结构由于其高稳定性,晶型以及良好的电荷分离效果,为C02光还原提供了更多??可能。层状钙钛矿材料(SnTa2〇7和HCa2Nb301())的结构对于电荷分离和转移、??助催化剂的沉积、及反应物选择性嵌入十分有利,在C〇2还原领域大放异彩[34*??36]。??8

脱氢酶,一氧化碳,催化氧化,机理


化???/?/?pH??m??x、r???及?z\??\??/:?丨?、??/?r?1??V.......?&<W??、??!?)'?.?JS^:::?C?_;??*i;"SS"?p?'?5--"'??/?/?m?;?/?/?os??/'?/?/?.?/>?...?/?/.??.,??mnK,>?i?**w??IV?y?II??S*?"X?^?/??j、%?你、^??L?/?,????:.z?V齡釦??II!??图3-].厌氧一氧化碳脱氢酶催化氧化CO为C〇2机理??3.2计算细节??本章中,我们使用基于密度泛函理论(DFT)的VASP软件包,对体系进行??几何结构优化,并计算相应电子结构。我们选取广义梯度近似(GGA)中PBE泛??函及投影缀加波方法(PAW),?PBE+U用于描述Fe和Ni原子部分填充的d轨??道,作为库伦和交换作用能的校正。其中Fe的U=4.0,?J=1.0,?Ni的U=5.1,J=0。??整个计算过程中为考虑材料的弱相互作用,选取经验校正法(DFT-D2),描述??VanderWaals作用。平面波截断能为450?eV,能量收敛标准选取10_5eV,真空层??厚度为20?A,避免层与层之间相互作用,布里渊区积分K点选取Ga_?3?x??3?x?1,所有原子都放开优化,直到每个原子上的最大力小于0.01?eV/A。??对于Fe/Ni掺杂原子的结合能,计算公式为:心=Et£)td?-£M,其中??4。如,&分别为催化剂整体,失去一个金属原子的氮化石墨烯能量和金??属的能量。对于CO或H20的吸附能,公式为£ad?=?—?EM@_

【参考文献】:
期刊论文
[1]铂族金属催化剂低温CO氧化研究近期进展(英文)[J]. 林坚,王晓东,张涛.  催化学报. 2016(11)
[2]用于CO选择氧化反应的新型Pt-Fe/Al2O3催化剂(英文)[J]. 唐晓兰,张保才,李勇,辛勤,申文杰.  催化学报. 2005(01)



本文编号:3099340

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