Citation: Xitong Sun, Jianfu Chen, P. Hu. General trends in Horiuti-Polanyi mechanism vs non-Horiuti-Polanyi mechanism for water formation on transition metal surfaces[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(2): 294-301. doi: S1872-2067(19)63434-0
过渡金属表面上水生成经典Horiuti-Polanyi机理与非Horiuti-Polanyi机理选择的总体趋势
研究发现,不同金属对应于不同的催化氢化反应活性,以及不同的催化反应机理.在某些金属上H2以分子形式进攻反应物种的非HP机理有利,而在其它金属上经典的H2解离后参与氢化还原反应的HP机理更容易发生.详细分析显示,H2的解离活性决定了反应机理的种类:在对H2解离具有催化活性的金属(如Pt、Ni)表面,不论是(211)台阶面还是(111)平面,H2解离几乎都是无能垒过程,且伴随氢原子的强吸附,反应放热明显,导致活泼金属上HP机理更容易发生;与之相反,在不活泼的催化剂表面,H2解离很难发生,原子吸附也相当微弱,相比于断键裂解,H2更倾向于发生分子氢化的非HP机理.
另外,本文还定义了一个新的结构描述符(η)来帮助理解两种机理发生的结构因素差异.η是衡量分子氢化过渡态结构(TS)中H-H键解离程度的参数,根据其定义上下限数值分别设定为H2在各催化剂表面解离过渡态的键长(Ddis)和游离分子态的键长(DH2).结果显示,易发生非HP机理的催化剂表面的TS结构对应的η参数普遍低于0.4,即H-H原子对的确是以近分子形式参与氢化反应;相反发生经典HP机理的催化剂表面,η参数普遍在0.5-0.8,即H-H即使以分子形式参与反应也是处于近解离状态,这预示了以解离吸附氢参与反应的优选性.
-
关键词:
- 氢化反应
- / Horiuti-Polanyi机理
- / 水的形成
- / 过渡金属
- / 密度泛函理论
English
General trends in Horiuti-Polanyi mechanism vs non-Horiuti-Polanyi mechanism for water formation on transition metal surfaces
-
-
[1] F. Fischer, H. Tropsch, Ber. Deutsch. Chem. Ges., 1926, 59, 830-831.
-
[2] Z. P. Liu, P. Hu, J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 11568-11569.
-
[3] J. Cheng, X. Q. Gong, P. Hu, C. M. Lok, P. Ellis, S. French, J. Catal., 2008, 254, 285-295.
-
[4] S. G. Wang, D. B. Cao, Y. W. Li, J. Wang, H. Jiao, Surf. Sci., 2009, 603, 2600-2606.
-
[5] J. Wang, H. Wang, P. Hu, Sci. China Chem., 2018, 61, 336-343.
-
[6] Holleman, A. E. Wiberg, Lehrbuch der anorganischen Chemie, Academic Press, Berlin/New York, 2001.
-
[7] K. C. Waugh, Catal. Lett., 2012, 142, 1153-1166.
-
[8] Y. Yang, C. A. Mims, D. H. Mei, C. H. F. Peden, C. T. Campbell, J. Catal., 2013, 298, 10-17.
-
[9] X. Nie, M. R. Esopi, M. J. Janik, A. Asthagiri, Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 2459-2462.
-
[10] X. Sun, X. Cao, P. Hu, Sci. China Chem., 2015, 58, 553-564.
-
[11] Y. Chen, J. Cheng, P. Hu, H. Wang, Surf. Sci., 2008, 602, 2828-2834.
-
[12] G. H. Graaf, E. J. Stamhuis, A. A. C. M. Beenackers, Chem. Eng. Sci., 1998, 43, 3185-3195.
-
[13] J. Horiuti, M. Polanyi, Nature, 1933, 132, 819.
-
[14] I. Horiuti, M. Polanyi, Trans. Faraday Soc., 1934, 30, 1164-1172.
-
[15] B. Yang, X. Q. Gong, H. F. Wang, X. M. Cao, J. J. Rooney, P. Hu, J. Am. Chem. Soc., 2013, 135, 15244-15250.
-
[16] G. Vilé, D. Baudouin, I. N. Remediakis, C. Copéret, N. López, J. Pérez-Ramírez, ChemCatChem, 2013, 5, 3750-3759.
-
[17] M. Araki, V. Ponec, J. Catal., 1976, 44, 439-448.
-
[18] F. Studt, I. Sharafutdinov, F. A. Pedersen, C. F. Elkjær, J. S. Hummelshøj, S. Dahl, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, Nat. Chem., 2014, 6, 320-324.
-
[19] B. Yang, R. Burch, C. Hardacre, G. Headdock, P. Hu, ACS Catal., 2012, 2, 1027-1032.
-
[20] H. S. Bengaard, J. K. Nørskov, J. Sehested, B. S. Clausen, L. P. Nielsen, A. M. Molenbroek, J. R. Rostrup-Nielsen, J. Catal., 2002, 209, 365-384.
-
[21] N. Mota, R. Guil-Lopez, B. G. Pawelec, J. L. G. Fierro, R. M. Navarro, RSC Adv., 2018, 8, 20619-20629.
-
[22] M. Behrens, F. Studt, I. Kasatkin, S. Kuhl, M. Havecker, F. Abild-Pedersen, S. Zander, F. Girgsdies, P. Kurr, B. L. Kniep, M. Tovar, R. W. Fischer, J. K. Norskov, R. Schlogl, Science, 2012, 336, 893-897.
-
[23] J. Sehested, Catal. Today, 2006, 111, 103-110.
-
[24] A. Ochoa, A. Arregi, M. Amutio, A. G. Gayubo, M. Olazar, J. Bilbao, P. Castaño, Appl. Catal. B, 2018, 233, 289-300.
-
[25] P. Tahay, Y. Khani, M. Jabari, F. Bahadoran, N. Safari, Appl. Catal. A, 2018, 554, 44-53.
-
[26] D. W. Goodman, R. D. Kelley, T. E. Madey, J. T. Yates Jr., J. Catal., 1980, 63, 226-234.
-
[27] J. Sehested, S. Dahl, J. Jacobsen, J. R. Rostrup-Nielsen, J. Phys. Chem. B, 2005, 109, 2432-2438.
-
[28] Q. Fu, H. Saltsburg, M. Flytzani-Stephanopoulos, Science, 2003, 301, 935-938.
-
[29] J. Knudsen, A. U. Nilekar, R. T. Vang, J. Schnadt, E. L. Kunkes, J. A. Dumesic, M. Mavrikakis, F. Besenbacher, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 6485-6490.
-
[30] Y. Mao, J. Chen, H. Wang, P. Hu, Chin. J. Catal., 2015, 36, 1596-1605.
-
[31] M. Yang, H. Yuan, H. Wang, P. Hu, Sci. China Chem., 2018, 61, 457-467.
-
[32] C. Huang, Z. Q. Wang, X. Q. Gong, Chin. J. Catal., 2018, 39, 1520-1526.
-
[33] G. Kresse, J. Furthmüller, Phys. Rev. B, 1996, 54, 11169-11186.
-
[34] G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B, 1993, 47, 558-561.
-
[35] G. Kresse, J. Hafner, Phys. Rev. B, 1994, 49, 14251-14269.
-
[36] J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 1996, 77, 3865-3868.
-
[37] J. Jin, N. Sun, W. Hu, H. Yuan, H. Wang, P. Hu, ACS Catal., 2018, 8, 5415-5424.
-
[38] P. E. Blöchl, Phys. Rev. B, 1994, 50, 17953-17979.
-
[39] G. Kresse, D. Joubert, Phys. Rev. B, 1999, 59, 1758-1775.
-
[40] A. Alavi, P. Hu, T. Deutsch, Silvestrellij, P. L. Uuml, R. Hutter, Phys. Rev. Lett., 1998, 80, 3650-3653.
-
[41] A. Michaelides, Z. P. Liu, C. J. Zhang, A. Alavi, D. A. King, P. Hu, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 3704-3705.
-
[42] Z. P. Liu, P. Hu, J. Am. Chem. Soc., 2003, 125, 1958-1967.
-
[43] R. C. Catapan, A. A. M. Oliveira, Y. Chen, D. G. Vlachos, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 20281-20291.
-
[44] H. F. Wang, Z. P. Liu, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 17502-17508.
-
[45] D. G. Vlachos, L. D. Schmidt, R. Aris, Z. Phys. D, 1993, 26(Suppl.), S156-S158.
-
[46] Y. A. Zhu, D. Chen, X. G. Zhou, W. K. Yuan, Catal. Today, 2009, 148, 260-267.
-
[47] N. B. Arboleda Jr., H. Kasai, W. A. Dino, H. Nakanishi, Jpn. J. Appl. Phys. Part 1, 2007, 46, 4233-4237.
-
[48] L. Zhang, X. M. Cao, P. Hu, Appl. Surf. Sci., 2017, 392, 456-471.
-
[49] A. A. Phatak, W. N. Delgass, F. H. Ribeiro, W. F. Schneider, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 7269-7276.
-
[50] G. C. Wang, S. X. Tao, X. H. Bu, J. Catal., 2006, 244, 10-16.
-
[51] B. Xing, X. Y. Pang, G. C. Wang, J. Catal., 2011, 282, 74-82.
-
[52] B. Xing, G. C. Wang, Phys. Chem. Chem. Phys., 2014, 16, 2621-2629.
-
[53] L. L. Yin, X. Q. Gong, Sci. China Chem., 2015, 58, 601-606.
-
[54] N. Lopez, T. V. W. Janssens, B. S. Clausen, Y. Xu, M. Mavrikakis, T. Bligaard, J. K. Nørskov, J. Catal., 2004, 223, 232-235.
-
[55] J. Kim, E. Samano, B. E. Koel, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 17512-17517.
-
[56] B. Hammer, Top. Catal., 2006, 37, 3-16.
-
[57] B. Hammer, J. K. Nørskov, Surf. Sci., 1995, 343, 211-220.
-
[58] H. Y. Ma, G. C. Wang, J. Phys. Chem. C, 2018, 122, 16692-16703.
-
计量
- PDF下载量: 44
- 文章访问数: 4384
- HTML全文浏览量: 637