镍族金属团簇在催化加氢过程中的应用

韩波 程寒松

引用本文: 韩波,  程寒松. 镍族金属团簇在催化加氢过程中的应用[J]. 物理化学学报, 2017, 33(7): 1310-1323. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704172 shu
Citation:  HAN Bo,  CHENG Han-Song. Nickel Family Metal Clusters for Catalytic Hydrogenation Processes[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(7): 1310-1323. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704172 shu

镍族金属团簇在催化加氢过程中的应用

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21473164,21203169,21233006),中国地质大学(武汉)中央高校基本科研业务费以及空气与化学品公司资助项目

摘要: 贵金属纳米颗粒具有优异的催化活性,是异相催化反应中的重要角色。作为一种理想的研究模型,气相金属团簇被广泛应用于在原子和分子尺度探究催化反应的机理。在本专论中,我们将本课题组近年来关于氢气在镍族金属团簇上的解离吸附进行了回顾。首先,我们对比了不同金属团簇的结构演化规律和相对稳定性。随后,我们系统研究了H2分子在金属团簇上的解离吸附行为,揭示了不同金属对H―H键的解离能力。为了表征不同金属团簇的催化活性,我们定义了两个关键参数:氢气的解离吸附能(ΔECE)和H原子的连续脱附能(ΔEDE)。结果显示,随着H覆盖度的增大,ΔECE和ΔEDE都呈现显著的下降。由于在实际的催化反应中,氢气总是维持在一定的分压下,这就意味着催化剂金属应该总是处于较高的H覆盖度下。因此,通过处于H饱和状态下的ΔECE和ΔEDE来评估金属团簇的催化能力是合理可行的。我们发现,在饱和H吸附状态下,每一个Pt原子可以容纳4个H原子,而每一个Pd或Ni原子则只能吸附2个H原子。考虑到H原子在这些团簇上的脱附能力相当,Pt团簇相对较高的H吸附量将极大提高其在加氢过程中的催化活性。最后,我们系统研究了带电状态对Pt团簇催化性能的影响规律。结果显示,在H覆盖度较低时,H2分子的解离以及H原子的脱附过程受Pt团簇带电状态的影响较大。在饱和H吸附时,由于大量H原子的吸附,电荷的影响被平均化到每个Pt―H键上,导致ΔECE和ΔEDE都收敛到一个非常小的区域。此外,当团簇的尺寸增大时,其所带的电荷被大量的Pt原子分摊,每个Pt原子仅携带极少的电荷,使得电荷的影响已经可以忽略。

English

    1. [1]

      (1) Chen, A.; Holt-Hindle, P. Chem. Rev. 2010, 110, 3767. doi: 10.1021/cr9003902

    2. [2]

      (2) Astruc, D. Inorg. Chem. 2007, 46, 1884. doi: 10.1021/ic062183h

    3. [3]

      (3) Biffis, A.; Zecca, M.; Basato, M. J. Mol. Catal. A: Chem. 2001, 173, 249. doi: 10.1016/S1381-1169(01)00153-4

    4. [4]

      (4) Lang, S. M.; Bernhardt, T. M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 9255. doi: 10.1039/c2cp40660h

    5. [5]

      (5) Tao, F.; Grass, M. E.; Zhang, Y.; Butcher, D. R.; Renzas, J. R.; Liu, Z.; Chung, J. Y.; Mun, B. S.; Salmeron, M.; Somorjai, G. A. Science 2008, 322, 932. doi: 10.1126/science.1164170

    6. [6]

      (6) Lim, B.; Jiang, M.; Camargo, P. H. C.; Cho, E. C.; Tao, J.; Lu, X.; Zhu, Y.; Xia, Y. Science 2009, 324, 1302. doi: 10.1126/science.1170377

    7. [7]

      (7) Imaoka, T.; Kitazawa, H.; Chun, W. J.; Omura, S.; Albrecht, K.; Yamamoto, K. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13089. doi: 10.1021/ja405922m

    8. [8]

      (8) Zhou, C. G.; Yao, S. J.; Zhang, Q. F.; Wu, J. P.; Yang, M.; Forrey, R.C.; Cheng, H. S. J. Mol. Model. 2011, 17, 2305. doi: 10.1007/s00894-011-1059-7

    9. [9]

      (9) Zhou, C.; Yao, S.; Wu, J.; Chen, L.; Forrey, R. R.; Cheng, H. J. Comput. Theor. Nanosci. 2009, 6, 1. doi: 10.1166/jctn.2009.1181

    10. [10]

      (10) Szarek, P.; Urakami, K.; Zhou, C.; Cheng, H.; Tachibana, A.J. Chem. Phys. 2009, 130, 084111. doi: 10.1063/1.3072369

    11. [11]

      (11) Chen, L.; Zhou, C. G.; Wu, J. P.; Cheng, H. S. Front. Phys. China 2009, 4, 356. doi: 10.1007/s11467-009-0050-6

    12. [12]

      (12) Zhou, C.; Yao, S.; Wu, J.; Forrey, R. C.; Chen, L.; Tachibana, A.; Cheng, H. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 5445. doi: 10.1039/B804877K

    13. [13]

      (13) Zhou, C.; Wu, J.; Nie, A.; Forrey, R. C.; Tachibana, A.; Cheng, H.J. Phys. Chem. C 2007, 111, 12773. doi: 10.1021/jp073597e

    14. [14]

      (14) Godbey, D. J.; Somorjai, G. A. Surf. Sci. 1988, 204, 301. doi: 10.1016/0039-6028(88)90215-4

    15. [15]

      (15) Christmann, K. Surf. Sci. Rep. 1988, 9, 1. doi: 10.1016/0167-5729(88)90009-X

    16. [16]

      (16) Papoian, G.; Nørskov, J. K.; Hoffmann, R. J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 4129. doi: 10.1021/ja993483j

    17. [17]

      (17) Hammer, B.; Norskov, J. K. Nature 1995, 376, 238. doi: 10.1038/376238a0

    18. [18]

      (18) Olsen, R. A.; Kroes, G. J.; Baerends, E. J. J. Chem. Phys. 1999, 111, 11155. doi: 10.1063/1.480473

    19. [19]

      (19) Watson, G. W.; Wells, R. P. K.; Willock, D. J.; Hutchings, G. J.J. Phys. Chem. B 2001, 105, 4889. doi: 10.1021/jp002864c

    20. [20]

      (20) Nobuhara, K.; Kasai, H.; Diño, W. A.; Nakanishi, H. Surf. Sci. 2004, 566 –568, Part 2, 703. doi: 10.1016/j.susc.2004.06.003

    21. [21]

      (21) Nobuhara, K.; Kasai, H.; Nakanishi, H.; Okiji, A. J. Appl. Phys. 2002, 92, 5704. doi: 10.1063/1.1512965

    22. [22]

      (22) Deng, J.; Li, H.; Xiao, J.; Tu, Y.; Deng, D.; Yang, H.; Tian, H.; Li, J.; Ren, P.; Bao, X. Energy Environ. Sci. 2015, 8, 1594. doi: 10.1039/c5ee00751h

    23. [23]

      (23) Wei, H.; Liu, X.; Wang, A.; Zhang, L.; Qiao, B.; Yang, X.; Huang, Y.; Miao, S.; Liu, J.; Zhang, T. Nat. Comm. 2014, 5, 5634. doi: 10.1038/ncomms6634

    24. [24]

      (24) Shin, S. I.; Go, A.; Kim, I. Y.; Lee, J.; Lee, Y.; Hwang, S.-J. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 608. doi: 10.1039/c2ee22739h

    25. [25]

      (25) Lei, Y.; Mehmood, F.; Lee, S.; Greeley, J.; Lee, B.; Seifert, S.; Winans, R. E.; Elam, J. W.; Meyer, R. J.; Redfern, P. C.; Teschner, D.; Schlogl, R.; Pellin, M. J.; Curtiss, L. A.; Vajda, S. Science 2010, 328, 224. doi: 10.1126/science.1185200

    26. [26]

      (26) Corma, A.; Serna, P.; Concepcion, P.; Juan Calvino, J. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 8748. doi: 10.1021/ja800959g

    27. [27]

      (27) Liu, X. Y.; Wang, A.; Zhang, T.; Mou, C.-Y. Nano Today 2013, 8, 403. doi: 10.1016/j.nantod.2013.07.005

    28. [28]

      (28) Campbell, C. T. Nat. Chem. 2012, 4, 597. doi: 10.1038/nchem.1412

    29. [29]

      (29) Vayssilov, G. N.; Lykhach, Y.; Migani, A.; Staudt, T.; Petrova, G. P.; Tsud, N.; Skala, T.; Bruix, A.; Illas, F.; Prince, K. C.; Matolin, V.; Neyman, K. M.; Libuda, J. Nat. Mater. 2011, 10, 310. doi: 10.1038/nmat2976

    30. [30]

      (30) Anderson, P. E.; Rodriguez, N. M. Chem. Mater. 2000, 12, 823. doi: 10.1021/cm990582n

    31. [31]

      (31) Barrio, L.; Liu, P.; Rodríguez, J. A.; Campos-Martín, J. M.; Fierro, J.L. G. J. Chem. Phys. 2006, 125, 164715. doi: 10.1063/1.2363971

    32. [32]

      (32) Liu, Z.-P.; Hu, P. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 1958. doi: 10.1021/ja0207551

    33. [33]

      (33) Gong, X.-Q.; Selloni, A.; Dulub, O.; Jacobson, P.; Diebold, U. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 370. doi: 10.1021/ja0773148

    34. [34]

      (34) Liu, X.; Dilger, H.; Eichel, R. A.; Kunstmann, J.; Roduner, E.J. Phys. Chem. B 2006, 110, 2013. doi: 10.1021/jp0561874

    35. [35]

      (35) Okamoto, Y. Chem. Phys. Lett. 2005, 405, 79. doi: 10.1016/j.cplett.2005.02.018

    36. [36]

      (36) Okamoto, Y. Chem. Phys. Lett. 2006, 429, 209. doi: 10.1016/j.cplett.2006.08.013

    37. [37]

      (37) Gdowski, G. E.; Fair, J. A.; Madix, R. J. Surf. Sci. 1983, 127, 541. doi: 10.1016/0039-6028(83)90046-8

    38. [38]

      (38) Richter, L. J.; Ho, W. Phys. Rev. B 1987, 36, 9797. doi: 10.1103/PhysRevB.36.9797

    39. [39]

      (39) Au, C. T.; Zhou, T. J.; Lai, W. J. Catal. Lett. 1999, 62, 147. doi: 10.1023/a:1019019710780

    40. [40]

      (40) Watari, N.; Ohnishi, S. J. Chem. Phys. 1997, 106, 7531. doi: 10.1063/1.473751

    41. [41]

      (41) Koszinowski, K.; Schroder, D.; Schwarz, H. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 4999. doi: 10.1021/jp027713j

    42. [42]

      (42) Swart, I.; Fielicke, A.; Redlich, B.; Meijer, G.; Weckhuysen, B. M.; De Groot, F. M. F. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 2516. doi: 10.1021/ja066261b

    43. [43]

      (43) Swart, I.; De Groot, F. M. F.; Weckhuysen, B. M.; Gruene, P.; Meijer, G.; Fielicke, A. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 1139. doi: 10.1021/jp076702t

    44. [44]

      (44) Wang, L. S.; Cheng, H. S.; Fan, J. W. J. Chem. Phys. 1995, 102, 9480. doi: 10.1063/1.468817

    45. [45]

      (45) Hakkinen, H.; Yoon, B.; Landman, U.; Li, X.; Zhai, H. J.; Wang, L.S. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 6168. doi: 10.1021/jp035437i

    46. [46]

      (46) Castleman, A. W.; Keesee, R. G. Chem. Rev. 1986, 86, 589. doi: 10.1021/cr00073a005

    47. [47]

      (47) Deheer, W. A. Rev. Mod. Phys. 1993, 65, 611. doi: 10.1103/RevModPhys.65.611

    48. [48]

      (48) Kerpal, C.; Harding, D. J.; Rayner, D. M.; Fielicke, A. J. Phys. Chem. A 2013, 117, 8230. doi: 10.1021/jp405120u

    49. [49]

      (49) Szarek, P.; Urakami, K.; Zhou, C.; Cheng, H.; Tachibana, A.J. Chem. Phys. 2009, 130, doi: 10.1063/1.3072369

    50. [50]

      (50) Chen, L.; Cooper, A. C.; Pez, G. P.; Cheng, H. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 5514. doi: 10.1021/jp070181s

    51. [51]

      (51) Nie, A.; Wu, J.; Zhou, C.; Yao, S.; Luo, C.; Forrey, R. C.; Cheng, H.Int. J. Quantum Chem. 2007, 107, 219. doi: 10.1002/qua.21011

    52. [52]

      (52) Luo, C.; Zhou, C.; Wu, J.; Kumar, T. J. D.; Balakrishnan, N.; Forrey, R. C.; Cheng, H. Int. J. Quantum Chem. 2007, 107, 1632. doi: 10.1002/qua.21315

    53. [53]

      (53) Barreteau, C.; Guirado-López, R.; Spanjaard, D.; Desjonquères, M.C.; Oleś, A. M. Phys. Rev. B 2000, 61, 7781. doi: 10.1103/PhysRevB.61.7781

    54. [54]

      (54) Li, J. N.; Pu, M.; Ma, C. C.; Tian, Y.; He, J.; Evans, D. G. J. Mol. Catal. A: Chem. 2012, 359, 14. doi: 10.1016/j.molcata.2012.03.015

    55. [55]

      (55) Kadioglu, Y.; Demirkiran, A.; Yaraneri, H.; Akturk, O. U. J. Alloy. Compd. 2014, 591, 188. doi: 10.1016/j.jallcom.2013.12.074

    56. [56]

      (56) Ignatov, S. K.; Okhapkin, A. I.; Gadzhiev, O. B.; Razuvaev, A. G.; Kunz, S.; Baumer, M. J. Phys. Chem. C 2016, 120, 18570. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b04555

    57. [57]

      (57) Liu, X. J.; Tian, D. X.; Meng, C. G. J. Mol. Struct. 2015, 1080, 105. doi: 10.1016/j.molstruc.2014.09.078

    58. [58]

      (58) Pelzer, A. W.; Jellinek, J.; Jackson, K. A. J. Phys. Chem. A 2015, 119, 3594. doi: 10.1021/jp512643a

    59. [59]

      (59) Shi, Y.; Ervin, K. M. J. Chem. Phys. 1998, 108, 1757. doi: 10.1063/1.475608

    60. [60]

      (60) Balteanu, I.; Balaj, O. P.; Beyer, M. K.; Bondybey, V. E. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 2910. doi: 10.1039/b405211k

    61. [61]

      (61) Huang, L.; Han, B.; Xi, Y. J.; Forrey, R. C.; Cheng, H. S. ACS Catal. 2015, 5, 4592. doi: 10.1021/acscatal.5b00689

    62. [62]

      (62) Harding, D. J.; Kerpal, C.; Meijer, G.; Fielicke, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 817. doi: 10.1002/anie.201107042

    63. [63]

      (63) Helali, Z.; Markovits, A.; Minot, C.; Abderrabba, M. Chem. Phys. Lett. 2013, 565, 45. doi: 10.1016/j.cplett.2013.02.026

    64. [64]

      (64) Bruix, A.; Rodriguez, J. A.; Ramirez, P. J.; Senanayake, S. D.; Evans, J.; Park, J. B.; Stacchiola, D.; Liu, P.; Hrbek, J.; Illas, F. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 8968. doi: 10.1021/ja302070k

    65. [65]

      (65) Kerpal, C.; Harding, D. J.; Rayner, D. M.; Fielicke, A. J. Phys. Chem. A 2013, 117, 8230. doi: 10.1021/jp405120u

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  6
  • 文章访问数:  1167
  • HTML全文浏览量:  138
文章相关
  • 发布日期:  2017-04-17
  • 收稿日期:  2016-12-12
  • 修回日期:  2017-04-05
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章