梁湦,何秋月,孙宝珍.Cu2O(111)催化水煤气变换反应机理的理论研究[J].分子催化,2017,31(6):553-566
Cu2O(111)催化水煤气变换反应机理的理论研究
Reaction Mechanisms of WGSR Catalyzed by Cu2O(111): A Theoretical Study
投稿时间:2017-08-29  修订日期:2017-09-25
DOI:
中文关键词:  水煤气变换反应  氧化亚铜  密度泛函理论  机理
英文关键词:water-gas shift reaction  Cu2O  density functional theory  mechanism
基金项目:国家自科科学基金项目(21303025),江西省自然科学基金资助项目(20171BAB211008)
作者单位E-mail
梁湦 广西大学 化学化工学院, 广西 南宁 530004  
何秋月 江西师范大学 物理系 计算材料物理实验室, 江西 南昌 330022  
孙宝珍 广西大学 化学化工学院, 广西 南宁 530004
江西师范大学 物理系 计算材料物理实验室, 江西 南昌 330022 
bzsun@jxnu.edu.cn 
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中文摘要:
      采用密度泛函理论结合周期平板模型方法系统地研究了水煤气变换反应在Cu2O(111)表面上的反应机理,包括氧化还原机理、羧基机理和甲酸根机理.结果表明,在Cu2O(111)表面,羧基机理和甲酸根机理均可行,且甲酸根机理更为有利,其最佳反应途径为H2O*→H*+OH*;CO(g)+H*+OH*trans-HCOOH*(1)→cis-HCOOH*→CO2*+H2(g).其中trans-HCOOH*(1)→cis-HCOOH*为其决速步,该基元反应的能垒仅为59 kJ·mol-1.羧基机理的最优反应路径同样是以H2O的解离反应开始,随后CO(g)+OH*cis-COOH*trans-COOH*→CO2(g)+H*,最后产生的两个吸附的H原子先迁移再结合生成H2,整个反应的控速步骤为H原子的迁移,迁移能垒为96 kJ·mol-1.氧化还原机理则由于OH解离需要越过一个很高的能垒(254 vs.187 kJ·mol-1)而不可行.
英文摘要:
      The detailed mechanisms of water-gas shift reaction (WGSR) on Cu2O(111) have been investigated byperiodic density functional theory (DFT). Three typical WGSR mechanisms, i. e., the redox, carboxyl and formate ones, are explored. Our transition state calculations reveal that the carboxyl and formate mechanisms are bothviable for WGSR on Cu2O(111); but formate mechanism preferentially operates. For the formate mechanism, themost feasible reaction pathway is H2O*→H*+OH*; CO(g)+H*+OH*trans-HCOOH*(1)→cis-HCOOH*→CO2*+H2(g). The rate-limiting step is trans-HCOOH* (1)→cis-HCOOH*, in which only a moderate energy barrier(59 kJ·mol-1) needs to be overcome. When WGSR takes place along the carboxyl mechanism, the most feasiblepathway is also started from the dissociation of H2O. But next, CO(g)+OH*cis-COOH*trans-COOH*→CO2(g)+H*. Finally, the formed H atoms occur migration and then react to form H2. The migration of H atom is therate-limiting step. The barrier involved in this step is 96 kJ·mol-1. The redox mechanism is unfeasible due to thehigh energy barrier of OH dissociation (254 vs. 187 kJ·mol-1).
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