DFT法研究HCOOH在Pd/WC(0001)上的分解机理

张金花 佘远斌

引用本文: 张金花,  佘远斌. DFT法研究HCOOH在Pd/WC(0001)上的分解机理[J]. 催化学报, 2020, 41(3): 415-425. doi: S1872-2067(19)63463-7 shu
Citation:  Jinhua Zhang,  Yuanbin She. Unveiling the decomposition mechanism of formic acid on Pd/WC(0001) surface by using density function theory[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(3): 415-425. doi: S1872-2067(19)63463-7 shu

DFT法研究HCOOH在Pd/WC(0001)上的分解机理

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21776259);微纳粉体与先进能源材料安徽普通高校重点实验室(池州学院).

摘要: 作为便携式电子设备的动力源,直接甲酸燃料电池(DFAFC)具有燃料跨界范围小、电动势大、甲酸无毒、低温下功率密度大等优点,因而引起了人们的极大兴趣.DFAFC商业化的主要挑战之一是阳极电催化剂材料的高成本和低CO耐受性.阳极通常需要高负载的贵金属电催化剂(Pt或Pd)氧化甲酸(HCOOH)以获得所需的电能.完全电氧化甲酸在Pt和Pd表面上会产生强吸附的CO,从而降低了Pt或Pd催化剂的活性.Pt和Pd储量少且价格昂贵,减少Pt和Pd含量且保持催化性能的燃料电池催化剂一直是研究者的奋斗目标.
本文用周期性密度泛函理论(DFT)系统地研究了WC负载的单分子层Pd(Pd/WC(0001))催化剂对甲酸的分解机理,这可为所需的反应路径设计、筛选催化剂提供指导.
Trans-HCOOH通过C-H,O-H,C-O键的活化发生分解.关于吸附,确定了可能反应中间体的最稳定吸附构型.trans-HCOOH,HCOO,mHCOO,cis-COOH,trans-COOH,CO,H2O,OH和H的吸附过程是化学吸附,而cis-HCOOH和CO2与Pd/WC(0001)表面的相互作用较弱,是物理吸附.此外,提出了trans-HCOOH分解的不同途径来探索分解机理.trans-HCOOH中O-H,C-H和C-O键的活化能垒分别为0.61,0.77和1.05eV,O-H键断裂的能垒最小,则trans-HCOOH优先通过O-H键断裂生成HCOO.双齿HCOO是HCOOH分解的主要中间体,它可以转变为单齿HCOO,这条路线生成CO2的能垒比双齿HCOO的低0.04eV.CO2是HCOO主要解离产物,这一步是总反应的决速步骤.对于cis-COOH和trans-COOH,CO是其主要解离产物.此外,trans-HCOOH也能直接生成CO,但克服的能垒较大.在Pd/WC(0001)表面上分解trans-HCOOH的最有利途径是HCOOH→HCOO→CO2,其中HCOO脱氢形成CO2的步骤是速率决定步骤.
本文提供了HCOOH在Pd/WC(0001)表面上分解的活性中间体、能垒和机理的推测,CO形成主要是通过cis-COOH、trans-COOH及HCO的分解,CO2的形成主要是通过HCOO的分解,CO2占主导.该结论与Pd(111)面上甲酸分解结果一致,说明WC作为Pd载体没有改变Pd对甲酸的催化性能,但降低了Pd的使用量.
综上,本文阐明了WC负载单分子层Pd催化剂上甲酸催化分解机理,得出甲酸分解的最佳反应路径,为直接甲酸燃料电池设计低贵金属含量、高活性的负载型Pd催化剂提供了理论指导;可用于预测不同载体负载Pd催化剂的性能,大大减少实验成本,以验证提出的实验假设.

English

    1. [1] K. J. Jeong, C. M. Miesse, J. H. Choi, J. Lee, J. Han, S. P. Yoon, S. W. Nam, T. H. Lim, T. G. Lee, J. Power Sources, 2007, 168, 119-125.

    2. [2] X. W. Yu, P. G. Pickup, J. Power Sources, 2008, 182, 124-132.

    3. [3] Q. Lv, Q. L. Meng, W. W. Liu, N. Sun, K. Jiang, L. P. Ma, Z. Q. Peng, W. B. Cai, C. P. Liu, J. J. Ge, L. M. Liu, W. Xing, J. Phys. Chem. C, 2018, 122, 2081-2088.

    4. [4] J. W. Cho, S. Lee, S. P. Yoon, J. Han, S. W. Nam, K. Y. Lee, H. C. Ham, ACS Catal., 2017, 7, 2553-2562.

    5. [5] W. H. Wang, T. He, X. H. Liu, W. N. He, H. J. Cong, Y. B. Shen, L. M. Yan, X. T. Zhang, J. P. Zhang, X. C. Zhou, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 20839-20848.

    6. [6] S. Lee, J. Cho, J. H. Jang, J. Han, S. P. Yoon, S. W. Nam, T. H. Lim, H. C. Ham, ACS Catal., 2016, 6, 134-142.

    7. [7] W. Y. Yu, G. M. Mullen, D. W. Flaherty, C. B. Mullins, J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 11070-11078.

    8. [8] J. Cho, S. Lee, J. Han, S. P. Yoon, S. W. Nam, S. H. Choi, K. Y. Lee, H. C. Ham, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 22553-22560.

    9. [9] K. Mori, M. Dojo, H. Yamashita, ACS Catal., 2013, 3, 1114-1119.

    10. [10] Z. F. Wu, Z. Q. Jiang, Y. K. Jin, F. Xiong, G. H. Sun, W. X. Huang, Chin. J. Catal., 2016, 37, 1738-1746.

    11. [11] R. Sang, P. Kucmierczyk, K. W. Dong, R. Franke, H. Neumann, R. Jackstell, M. Beller, J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 5217-5223.

    12. [12] W. F. Wang, Y. F. Zhang, J. Q. Li, K. N. Ding, Chin. J. Catal., 2004, 25, 129-132.

    13. [13] W. Z. Yu, Z. L. Xin, W. Zhang, Y. A. Xie, J. Wang, S. Niu, Y. F. Wu, L. D. Shao, Chem. Phys. Lett., 2017, 686, 155-160.

    14. [14] X. B. Li, Y. Y. Zhu, G. Chen, G. H. Yang, Z. Wu, B. Sunden, Int. J. Hy-drogen Energy, 2017, 42, 24726-24736.

    15. [15] R. G. Zhang, M. Yang, M. Peng, L. X. Ling, B. J. Wang, Appl. Surf. Sci., 2019, 465, 730-739.

    16. [16] E. Cazares-Avila, E. J. Ruiz-Ruiz, A. Hernandez-Ramirez, F. J. Rodriguez-Varela, M. D. Morales-Acosta, D. Morales-Acosta, Int. J. Hydrogen Energy, 2017, 42, 30349-30358.

    17. [17] J. Scaranto, M. Mavrikakis, Surf. Sci., 2016, 650, 111-120.

    18. [18] J. Y. Wang, H. X. Zhang, K. Jiang, W. B. Cai, J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 14876-14879.

    19. [19] D. W. Yuan, Y. Zhang, Appl. Surf. Sci., 2018, 462, 649-658.

    20. [20] W. Gao, J. A. Keith, J. Anton, T. Jacob, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 18377-18385

    21. [21] Y. Y. Wang, P. Liu, D. J. Zhang, C. B. Liu, Int. J. Hydrogen Energy, 2016, 41, 7342-7351.

    22. [22] L. H. Ou, J. X. Chen, Y. D. Chen, J. L. Jin, J. Phys. Chem. C, 2018, 122, 24871-24884.

    23. [23] W. Gao, J. A. Keith, J. Anton, T. Jacob, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 18377-18385.

    24. [24] Y. F. Wang, K. Li, G. C. Wang, Appl. Surf. Sci., 2018, 436, 631-638.

    25. [25] Y. Y. Wang, Y. Y. Qi, D. J. Zhang, C. B. Liu, J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 2067-2076.

    26. [26] J. W. Zhang, M. S. Chen, H. Q. Li, Y. J. Li, J. Y. Ye, Z. M. Cao, M. L. Fang, Q. Kuang, J. Zheng, Z. X. Xie, Nano Energy, 2018, 44, 127-134.

    27. [27] K. Tedsree, T. Li, S. Jones, C. W. A. Chan, K. M. K. Yu, P. A. J. Bagot, E. A. Marquis, G. D. W. Smith, S. C. E. Tsang, Nat. Nanotechnol., 2011, 6, 302-307.

    28. [28] S. Uhm, H. J. Lee, Y. Kwon, J. Lee, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 10163-10166.

    29. [29] J. Y. Wang, Y. Y. Kang, H. Yang, W. B. Cai, J. Phys. Chem. C, 2009, 113, 8366-8372.

    30. [30] H. X. Zhang, C. Wang, J. Y. Wang, J. J. Zhai, W. B. Cai, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 6446-6451.

    31. [31] R. B. Levy, M. Boudart, Science, 1973, 181, 547-549.

    32. [32] N. R. Elezovic, P. Zabinski, P. Ercius, M. Wytrwal, V. R. Radmi-lovic, U. C. Lacnjevac, N. V. Krstajic, Electrochim. Acta, 2017, 247, 674-684.

    33. [33] Q. Zhang, Z. J. Mellinger, Z. Jiang, X. Chen, B. Wang, B. Y. Tian, Z. X. Liang, J. G. G. Chen, J. Electrochem. Soc., 2018, 165, J3031-J3038.

    34. [34] Z. Yan, Y. Gu, W. Wei, Z. Jiang, J. Xie, P. K. Shen, Fuel Cells, 2015, 15, 256-261.

    35. [35] J. S. Moon, Y. W. Lee, S. B. Han, K. W. Park, Int. J. Hydrogen Energy, 2014, 39, 7798-7804.

    36. [36] Y. X. Zhang, Z. X. Yang, J. Alloys Compd., 2019, 775, 330-334.

    37. [37] D. V. Esposito, J. G. G. Chen, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 3900-3912.

    38. [38] Z. J. Mellinger, T. G. Kelly, J. G. G. Chen, ACS Catal., 2012, 2, 751-758.

    39. [39] N. R. Elezovic, P. Zabinski, P. Ercius, M. Wytrwal, V. R. Radmi-lovic, U. Č. Lačnjevac, N. V. Krstajic, Electrochim. Acta, 2017, 247, 674-684.

    40. [40] X. L. Zhang, Z. S. Lu, Z. X. Yang, J. Power Sources, 2016, 321, 163-173.

    41. [41] C. Y. He, J. Z. Tao, Y. B. Ke, Y. F. Qiu, RSC Adv., 2015, 5, 66695-66703.

    42. [42] M. Yin, Q. F. Li, J. O. Jensen, Y. J. Huang, L. N. Cleemann, N. J. Bjer-rum, W. Xing, J. Power Sources, 2012, 219, 106-111.

    43. [43] S. D. Guo, X. C. Hu, J. G. Yang, H. Chen, Y. Zhou, J. Fuel Chem. Tech-nol., 2016, 44, 698-702.

    44. [44] S. J. Li, X. Zhou, W. Q. Tian, J. Phys. Chem. A, 2012, 116, 11745-11752.

    45. [45] B. Delley, J. Chem. Phys., 2000, 113, 7756-7764.

    46. [46] J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 1996, 77, 3865-3868.

    47. [47] Z. Fang, Y. Zhao, H. Y. Wang, J. F. Wang, S. J. Zhu, Y. Jia, J. Y. Cho, S. K. Guan, Appl. Surf. Sci., 2019, 470, 893-898.

    48. [48] K. Palotás, I. Bakó, L. Bugyi, Appl. Surf. Sci., 2016, 389, 1094-1103.

    49. [49] C. Q. Hu, S. W. Ting, K. Y. Chan, W. Huang, Int. J. Hydrogen Energy, 2012, 37, 15956-15965.

    50. [50] S. D. Zhou, C. Qian, X. Z. Chen, Catal. Lett., 2011, 141, 726-734.

    51. [51] T. A. Halgren, W. N. Lipscomb, Chem. Phys. Lett., 1977, 49, 225-232.

    52. [52] X. L. Zhang, Z. X. Yang, R. Q. Wu, Nanoscale, 2018, 10, 4753-4760.

    53. [53] Y. F. Li, Y. M. Gao, B. Xiao, T. Min, Z. J. Fan, S. Q. Ma, D. W. Yi, Comp. Mater. Sci., 2011, 50, 939-948.

    54. [54] D. W. Yuan, J. Y. Li, L. H. Liu, Catal. Lett., 2016, 146, 2348-2356.

    55. [55] R. B. Jiang, W. Y. Guo, M. Li, X. Q. Lu, J. Y. Yuan, H. H. Shan, Phys. Chem. Chem. Phys., 2010, 12, 7794-7803.

    56. [56] J. Scaranto, M. Mavrikakis, Surf. Sci., 2016, 648, 201-211.

    57. [57] R. G. Zhang, H. Y. Liu, B. J. Wang, L. X. Ling, J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 22266-22280.

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  20
  • 文章访问数:  1594
  • HTML全文浏览量:  252
文章相关
  • 收稿日期:  2019-06-18
  • 修回日期:  2019-07-26
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