Pd-Co@Pd核壳催化剂催化甲酸脱氢的机理研究
氢能因具有来源广泛、能量利用率高、高效清洁等特点受到了广泛关注，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。然而,氢气的可控生产、存储和运输一直是氢能利用领域的一大挑战和瓶颈。甲酸拥有较高的H2储量(4.4wt%)，来源丰富，且室温下呈液态，能安全地存储和运输，因此被认为是一种最具有潜力的化学储氢材料。甲酸可以通过两条途径发生分解反应：通过脱羧基反应路径生成H2和CO2，以及脱羰基反应路径生成CO，由于CO会使催化剂中毒而失去活性，因此后者需要被严格控制。铂基催化剂是目前甲酸分解制氢非均相催化剂的主要活性组分，为了降低制造与使用成本以及进一步提高催化活性，寻求温和条件下具有高活性和高选择性的甲酸分解制氢催化剂是利用甲酸作为储氢材料的关键。 研究表明通过调整催化剂的组分、形貌等方法对催化剂进行修饰改性，不仅可以有效地提高非均相催化剂对甲酸分解的催化活性和稳定性，而且还可以很大程度减少副反应的发生，从而延长催化剂的寿命。本论文以Pd-Co合金组成的核壳体系(Pd-Co@Pd)为甲酸脱氢催化剂，利用周期性密度泛函理论(DFT)，系统研究了甲酸在催化剂表面的分解机理，并讨论了核结构中Co引入的含量变化对催化剂活性与反应选择性的影响。 基于第一性原理，我们系统的研究了甲酸在三种钯基的核壳催化剂PdxCoy@Pd(111)(x∶y=1∶3,1∶1和3∶1)和纯Pd(111)表面的分解反应机理。通过HCOO、COOH和HCO三种中间产物，确定了可能的脱氢和脱水途径。结果表明，在Pd1Co3@Pd(111)和PdCo@Pd(111)表面，以COOH中间体为媒介的脱氢路径最为有利，而在Pd3Co1@Pd(111)和Pd(111)表面，则优先采取HCOO中间体为媒介的脱氢路径。尽管Pd-Co核中Co含量的增加不利于甲酸脱氢，但却有利于H-H耦合形成H2以及提高催化剂抗CO中毒的能力。因此，与纯Pd(111)相比，三种双金属PdxCoy@Pd催化剂展现了更好的催化活性和对产物H2+CO2的选择性，特别是PdCo@Pd(111)具有最好的HCOOH分解催化性能。计算结果表明，Pd-Co核中合适的Co组分对催化性能的调节具有重要作用，可为其它脱氢反应设计高性能的双金属核壳催化剂提供基础的理论指导。
钯钴双金属合金;核壳结构;甲酸脱氢;催化性能
吉林大学
硕士
物理化学
刘靖尧
2020
中文
O643.36
2020-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）