摘要：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(A_(Td))和八面体(B_(Oh))配位具有内角共享的A_(Td)-O-B_(Oh)和边共享的B_(Oh)-O-B_(Oh)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.

摘要：为了减少CO氧化偶联制DMO反应中Pd催化剂的用量,设计了一系列单原子Pd催化剂,并通过DFT理论计算详细研究了Pd1-M(M=Al,Cu)单原子催化剂(SACs)对该反应的影响。结果表明:首先,由于Pd1-Al SAC结构不稳定,导致该催化剂不能用于CO氧化偶联制DMO反应;其次,Pd1-Cu SAC对该反应有出色的活性,同时也达到了减少贵金属Pd用量的目的,但其对DMO生成的选择性很不理想,需要在后续的研究中进一步提高。

摘要：负载型金属催化剂的催化性能主要取决于金属活性中心的设计。本工作采用密度泛函理论计算研究了氮掺杂石墨烯(NC)负载不同金属活性中心,即同核双原子(Cu Cu@NC,Rh Rh@NC和Co Co@NC)和异核双原子催化剂(Cu Rh@NC,Rh Co@NC和Cu Co@NC)上合成气合成C_(2)氧化物反应。结果表明:6类双原子催化剂均具有较好的稳定性;CH_(x)生成活性顺序为Cu Rh@NC>Rh Co@NC>Cu Co@NC>Cu Cu@NC>Rh Rh@NC>CoCo@NC,CH_(x)生成选择性顺序为RhCo@NC>CoCo@NC>RhRh@NC>CuCo@NC>CuRh@NC>CuCu@NC。进一步,一旦生成有利CH_(x)中间体,CHO插入CH_(x)能够高活性高选择性地生成C_(2)氧化物。综合考虑催化活性和选择性,RhCo@NC是合成气合成C_(2)氧化物的最佳催化剂,Rh抑制甲醇形成,Co促进C—O键断裂生成CH_(x)。Rh和Co协同催化利于CH_(x)生成,并促进C—C链增长生成C_(2)氧化物。电子性质分析表明活性组分适中的电荷转移量有利于提高催化性能。在525 K下,从头算分子动力学(AIMD)模拟显示RhCo@NC催化剂具有高的热稳定性。

摘要：计算化学方法在多孔储氢材料的应用主要有4个方面:1)研究多孔材料的储氢性能;2)研究多孔材料对氢气的吸附热;3)研究储氢机理;4)设计新型多孔储氢材料。综述了计算化学方法在多孔储氢材料研究中取得的成果和最新进展,展望了计算化学方法在储氢领域的应用前景。