甘油是生物质精炼的主要副产物(约占10%),年过剩量与低利用率导致其市场价格(0.24-0.6 US kg-1)较低.甘油是具有三个活性羟基的多元醇,被认为是生产高价值产品的理想原料.甲酸作为甘油转化最重要的产品之一,广泛应用于农药、皮革、染料...甘油是生物质精炼的主要副产物(约占10%),年过剩量与低利用率导致其市场价格(0.24-0.6 US kg-1)较低.甘油是具有三个活性羟基的多元醇,被认为是生产高价值产品的理想原料.甲酸作为甘油转化最重要的产品之一,广泛应用于农药、皮革、染料和医药行业,将甘油电氧化(EGOR)为甲酸(FA)不仅能有效避免资源过剩造成浪费,而且能满足未来对甲酸燃料电池的需求.然而甘油电催化氧化途径较为复杂,涉及反应中间产物的脱氢、吸附/解吸和C-C键裂解.本文将密度泛函理论(DFT)与实验相结合,研究了在精细构建的NiCo_(2)O_(4)纳米片上通过EGOR生产FA的反应机制.DFT计算结果表明,活性羟基(OH*)物种可以改变EGOR生产FA过程的决速步骤(RDS),通过调节吸附中间体的吸附能可获得理想的FA产率.其中,高度羟基化的NiCo_(2)O_(4)纳米片(311)-OH*晶面上具有最低的吉布斯自由能,能显著提升反应过程动力学.在理论分析的基础上,通过简易的电沉积方法精准制备了超薄NiCo_(2)O_(4)纳米片(~1.7 nm),并采用X射线吸收精细结构谱和高分辨透射电镜对催化剂进行了结构分析.结果表明,NiCo_(2)O_(4)纳米片中四面体(ATd)和八面体(BOh)配位具有内角共享的ATd-O-BOh和边共享的BOh-O-BOh构型,金属间的协同作用有效改善了材料的电子效应,有利于提供更多的吸附位点并促进EGOR过程中的电荷转移.NiCo_(2)O_(4)纳米片在EGOR中的电荷转移电阻仅为0.94Ω,电化学活性表面积高达10.25 cm^(2).相比较电催化析氧反应,NiCo_(2)O_(4)纳米片表现出了较好的EGOR性能,在10 mA cm^(-2)的电流密度下阳极功耗降低了320 mV,在100 mA cm^(-2)的电流密度时的阳极电势仅为1.46 VRHE.此外,在120 h的稳定性测试中,甘油的转化率和FA的选择性可分别保持在89%和70%.多电位步骤实验、原位电化学阻抗谱和电子顺磁共振谱结果表明,NiCo_(2)O_(4)纳米片上原位产生的OH*物种是EGOR过程中的直接活性中心,有利于将RDS从甘油酸脱氢裂解转化为甘油醛的脱氢步骤,并进一步促进C-C键的裂解.进一步结合理论预测,证实了OH*物种是EGOR过程中的直接活性中心.综上,采用绿色高效的电催化手段促进甘油生产高附加值化学品是生物质链升级的重要举措,有效避免了传统的高温高压,以水为介质,原位利用OH*.本文为新型催化剂的未来设计和理解生物质基原料电氧化升级反应机制提供了新思路.展开更多
基于密度泛函理论方法构建并优化了Cu MY(M为碱金属阳离子)分子筛的稳定构型,采用速控步骤CO插入CH3O形成CH3OCO反应,研究了碱金属阳离子对Cu+Y分子筛中活性中心周围电子环境及催化甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯性能的影响.计算结果表明...基于密度泛函理论方法构建并优化了Cu MY(M为碱金属阳离子)分子筛的稳定构型,采用速控步骤CO插入CH3O形成CH3OCO反应,研究了碱金属阳离子对Cu+Y分子筛中活性中心周围电子环境及催化甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯性能的影响.计算结果表明,Li+,Na+和K+稳定落位于Y分子筛小笼中,且随着金属离子半径的增大,CH3OH,CO,CH3O在Cu MY上的吸附能和CO/CH3O的共吸附能均逐渐增加,CO插入CH3O反应的过渡态结构稳定性逐渐降低,活化能逐渐上升,相应的反应活性逐渐下降.而落位在超笼中Ⅱ*位的Rb+与Cs+则随着离子半径的增大,反应过渡态的结构稳定性提高,克服的活化能降低,反应活性升高.不同Cu MY分子筛上催化活性顺序为Cu Li Y-Ⅰ'>Cu Cs Y-Ⅱ*>Cu Na Y-Ⅰ'>CuRb Y-Ⅱ*>Cu KY-Ⅰ'>Cu Cu Y-Ⅰ',其中Cu Li Y-Ⅰ'分子筛克服速控反应的活化能垒(52.74 k J/mol)最低.展开更多
运用密度泛函理论研究了B和Ga改性的ZSM-5分子筛催化基于芳烃侧链机理的MTO(methanol to olefin)反应,并与未改性的ZSM-5催化反应的结果进行了比较。结果表明:在三个分子筛(ZSM-5,B-ZSM-5和Ga-ZSM-5)中,对于整个基于芳烃的侧链机理,决...运用密度泛函理论研究了B和Ga改性的ZSM-5分子筛催化基于芳烃侧链机理的MTO(methanol to olefin)反应,并与未改性的ZSM-5催化反应的结果进行了比较。结果表明:在三个分子筛(ZSM-5,B-ZSM-5和Ga-ZSM-5)中,对于整个基于芳烃的侧链机理,决速步骤是对二甲苯的甲基化。从中间体M5开始,生成乙烯的决速步骤都是乙烯的消除;而对于生成丙烯,其决速步骤都是3,3-二甲基-6-亚乙基-1,4-环己二烯的甲基化。与未改性的ZSM-5相比,B改性的ZSM-5分子筛尽管反应活性降低了,但使得甲醇制乙烯的选择性高于制丙烯的选择性,而Ga改性的ZSM-5分子筛对甲醇制乙烯和丙烯的选择性和活性影响都不大。展开更多
基金supported by the National Key R&D Program of China(2021YFA1502804)Shanxi-Zheda Institute of Advanced Materials and Chemical Engineering(2022SX-FR001)+1 种基金the Key Projects of National Natural Science Foundation of China(21736007)the Natural Science Foundation of Shanxi Province(20210302123094)。
文摘甘油是生物质精炼的主要副产物(约占10%),年过剩量与低利用率导致其市场价格(0.24-0.6 US kg-1)较低.甘油是具有三个活性羟基的多元醇,被认为是生产高价值产品的理想原料.甲酸作为甘油转化最重要的产品之一,广泛应用于农药、皮革、染料和医药行业,将甘油电氧化(EGOR)为甲酸(FA)不仅能有效避免资源过剩造成浪费,而且能满足未来对甲酸燃料电池的需求.然而甘油电催化氧化途径较为复杂,涉及反应中间产物的脱氢、吸附/解吸和C-C键裂解.本文将密度泛函理论(DFT)与实验相结合,研究了在精细构建的NiCo_(2)O_(4)纳米片上通过EGOR生产FA的反应机制.DFT计算结果表明,活性羟基(OH*)物种可以改变EGOR生产FA过程的决速步骤(RDS),通过调节吸附中间体的吸附能可获得理想的FA产率.其中,高度羟基化的NiCo_(2)O_(4)纳米片(311)-OH*晶面上具有最低的吉布斯自由能,能显著提升反应过程动力学.在理论分析的基础上,通过简易的电沉积方法精准制备了超薄NiCo_(2)O_(4)纳米片(~1.7 nm),并采用X射线吸收精细结构谱和高分辨透射电镜对催化剂进行了结构分析.结果表明,NiCo_(2)O_(4)纳米片中四面体(ATd)和八面体(BOh)配位具有内角共享的ATd-O-BOh和边共享的BOh-O-BOh构型,金属间的协同作用有效改善了材料的电子效应,有利于提供更多的吸附位点并促进EGOR过程中的电荷转移.NiCo_(2)O_(4)纳米片在EGOR中的电荷转移电阻仅为0.94Ω,电化学活性表面积高达10.25 cm^(2).相比较电催化析氧反应,NiCo_(2)O_(4)纳米片表现出了较好的EGOR性能,在10 mA cm^(-2)的电流密度下阳极功耗降低了320 mV,在100 mA cm^(-2)的电流密度时的阳极电势仅为1.46 VRHE.此外,在120 h的稳定性测试中,甘油的转化率和FA的选择性可分别保持在89%和70%.多电位步骤实验、原位电化学阻抗谱和电子顺磁共振谱结果表明,NiCo_(2)O_(4)纳米片上原位产生的OH*物种是EGOR过程中的直接活性中心,有利于将RDS从甘油酸脱氢裂解转化为甘油醛的脱氢步骤,并进一步促进C-C键的裂解.进一步结合理论预测,证实了OH*物种是EGOR过程中的直接活性中心.综上,采用绿色高效的电催化手段促进甘油生产高附加值化学品是生物质链升级的重要举措,有效避免了传统的高温高压,以水为介质,原位利用OH*.本文为新型催化剂的未来设计和理解生物质基原料电氧化升级反应机制提供了新思路.
文摘基于密度泛函理论方法构建并优化了Cu MY(M为碱金属阳离子)分子筛的稳定构型,采用速控步骤CO插入CH3O形成CH3OCO反应,研究了碱金属阳离子对Cu+Y分子筛中活性中心周围电子环境及催化甲醇氧化羰基化合成碳酸二甲酯性能的影响.计算结果表明,Li+,Na+和K+稳定落位于Y分子筛小笼中,且随着金属离子半径的增大,CH3OH,CO,CH3O在Cu MY上的吸附能和CO/CH3O的共吸附能均逐渐增加,CO插入CH3O反应的过渡态结构稳定性逐渐降低,活化能逐渐上升,相应的反应活性逐渐下降.而落位在超笼中Ⅱ*位的Rb+与Cs+则随着离子半径的增大,反应过渡态的结构稳定性提高,克服的活化能降低,反应活性升高.不同Cu MY分子筛上催化活性顺序为Cu Li Y-Ⅰ'>Cu Cs Y-Ⅱ*>Cu Na Y-Ⅰ'>CuRb Y-Ⅱ*>Cu KY-Ⅰ'>Cu Cu Y-Ⅰ',其中Cu Li Y-Ⅰ'分子筛克服速控反应的活化能垒(52.74 k J/mol)最低.
文摘运用密度泛函理论研究了B和Ga改性的ZSM-5分子筛催化基于芳烃侧链机理的MTO(methanol to olefin)反应,并与未改性的ZSM-5催化反应的结果进行了比较。结果表明:在三个分子筛(ZSM-5,B-ZSM-5和Ga-ZSM-5)中,对于整个基于芳烃的侧链机理,决速步骤是对二甲苯的甲基化。从中间体M5开始,生成乙烯的决速步骤都是乙烯的消除;而对于生成丙烯,其决速步骤都是3,3-二甲基-6-亚乙基-1,4-环己二烯的甲基化。与未改性的ZSM-5相比,B改性的ZSM-5分子筛尽管反应活性降低了,但使得甲醇制乙烯的选择性高于制丙烯的选择性,而Ga改性的ZSM-5分子筛对甲醇制乙烯和丙烯的选择性和活性影响都不大。
