首页 > 学术论文

水煤气反应中铁基催化剂催化机理的第一性原理研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 21:59:19
热度:

水煤气反应中铁基催化剂催化机理的第一性原理研究【摘要】:随着能源危机的加剧,能源供不应求,以及原有的碳能源对环境污染严重,寻找无污染和可再生的能源是人类目前面临的巨大挑战之一。在众

【摘要】:随着能源危机的加剧,能源供不应求,以及原有的碳能源对环境污染严重,寻找无污染和可再生的能源是人类目前面临的巨大挑战之一。在众多的新能源中,氢气作为一种可再生的清洁能源成为研究热点。氢气具有转化效率高、低污染,应用广泛等优点而受到人们的关注。氢气的广泛应用可以有效地减缓能源枯竭和自然环境的严重污染,促进人类社会的良性发展。水煤气转换(WGS)反应是工业中主要的制氢反应。近十年,随着对纯净氢气需求量的增加,和氢燃料电池的发展,对水煤气反应中催化剂的研究引起了科学家的兴趣。目前商业中使用的高温催化剂是铜掺杂的铁氧化物催化剂,其中四氧化三铁(Fe3O4)是铁基催化剂中的活性成分。本文重点研究了高温转换反应中使用的铁基催化剂。研究目的是弄清楚铁基催化剂在WGS反应的催化机制,为设计和发展性能更优的催化剂提供理论指导。主要研究工作及结果如下:1研究了一氧化碳和水在小铜团簇,Cux(x=1-4),修饰的Fe3O4(111)表面上的吸附。发现铜在Fe3O4(111)表面上的吸附增强了四氧化三铁表面对CO的吸附,小铜团簇可以为CO提供更稳定的吸附点,并且平衡了CO和H2O在有铜吸附的四氧化三铁表面(Cux/Fe3O4)上的共吸附。这样的结果可以帮助我们更好地理解铁基氧化物里加入铜以提升催化剂催化活性的原因。2研究了不同浓度的CO在无缺陷和有缺陷的Fe3O4(001)B终截面上的吸附性质。当CO分子和Fe3O4(001)表面接触时,它们可以形成弯曲的类似于CO2分子或者真实CO2分子的结构吸附在衬底上,表明了Fe3O4(001)的B终截面有很强的CO氧化能力。随着CO浓度的增加,会形成更多的CO2分子。CO在有缺陷的Fe3O4(001)的B终截面上的吸附强于在无缺陷的表面上的吸附。最后,综合DFT+U的计算结果和热力学数据,我们计算得到了在实验环境中CO气体平衡状态下,CO在缺陷面和无缺陷面上的吸附和反应相图。这些结果表明有缺陷的Fe3O4(001)对CO分子的吸附能力更强,同时无缺陷面和有缺陷面都对CO分子有很强的氧化能力。 【关键词】:密度泛函理论 四氧化三铁催化剂 铜助剂 CO吸附 CO氧化 热力学方法
【学位授予单位】:河南师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:O643.36;O643.12
【目录】:
  • 摘要4-5
  • ABSTRACT5-10
  • 第一章 绪论10-20
  • 1.1 高温水煤气化学反应过程11
  • 1.2 水煤气反应11-15
  • 1.2.1 水煤气反应的背景11
  • 1.2.2 水煤气反应的过程11-12
  • 1.2.3 高温水煤气反应催化剂12-13
  • 1.2.4 催化剂的制备13-14
  • 1.2.5 反应机制:再生机制和关联机制14-15
  • 1.3 铁氧化物15-19
  • 1.3.1 四氧化三铁(Fe_3O_4)16-17
  • 1.3.2 相变17-18
  • 1.3.3 Fe/Cr催化剂的改进18-19
  • 1.4 本文的主要研究内容19-20
  • 第二章 理论基础和计算方法20-30
  • 2.1 绝热近似20-21
  • 2.2 密度泛函理论21-24
  • 2.2.1 Thomas-Fermi模型21-22
  • 2.2.2 Hohenberg-Kohn定理22
  • 2.2.3 Kohn-Sham方程22-23
  • 2.2.4 局域密度近似和广义梯度近似23-24
  • 2.3 平面波及赝势方法24-26
  • 2.3.1 平面波基矢24-25
  • 2.3.2 超原胞模型25
  • 2.3.3 赝势法25-26
  • 2.4 第一性原理计算程序包VASP26-27
  • 2.5 第一原理原子热力学计算方法27-30
  • 第三章 四氧化三铁催化剂中铜助剂的促进作用30-41
  • 3.1 前言30-31
  • 3.2 方法与模型31-33
  • 3.2.1 方法31
  • 3.2.2 模型31-33
  • 3.3 结果与讨论33-39
  • 3.3.1 单个的铜在(1 x 1)的Fetet1截面上的吸附33-34
  • 3.3.2 Cu_x(x =1?4)团簇在(2 x 2)的Fetet1终截面上的吸附34-36
  • 3.3.3 CO在Cu_x/Fe_3O_4表面上的吸附36-39
  • 3.4 小结39-41
  • 第四章 CO和四氧化三铁(001)表面的相互作用41-52
  • 4.1 前言41-42
  • 4.2 计算方法与模型42-44
  • 4.2.1 方法42-43
  • 4.2.2 模型43-44
  • 4.3 结果与讨论44-51
  • 4.3.1 在无缺陷四氧化三铁(001)表面上吸附单个CO分子44-46
  • 4.3.2 在有缺陷的Fe_3O_4(001)表面上单个CO分子的吸附46-47
  • 4.3.3 在无缺陷表面上吸附2个或者4个CO分子47-50
  • 4.3.4 CO在Fe_3O_4(001)表面上的吸附和反应相图50-51
  • 4.4 小结51-52
  • 第五章 总结与展望52-54
  • 参考文献54-64
  • 致谢64-66
  • 攻读硕士学位期间的主要工作66-67


您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

锂离子电池Fe_2O_3纳米棒负极材料的制备及其电化学性能研究    付长璟;赵国刚;李爽;

变换催化剂研究进展    刘全生,张前程,马文平,何润霞,寇丽杰,牟占军

锂离子电池锡基负极材料的研究进展    雒琴;赵馨茹;刘桂霞;王进贤;董相廷;于文生;

Fe_2O_3/Al_2O_3氧载体用于甲烷化学链燃烧:负载量与制备方法的影响    刘自松;魏永刚;李孔斋;王华;祝星;杜云鹏;

铜集流体纳米SnO_2锂离子电池负极的制备、结构与性能    陈湘平

纳微结构金属氧化物负极材料的合成与电化学性能表征    马小航

氧化铁基蓄热型氧载体制备及其化学链燃烧性能    刘自松

变换工艺技术改造模拟与优化    路海彬

氧化锌/碳复合材料的电沉积制备与储锂电化学性能    吴英远

贵金属改性碳化钼催化剂在低温水汽变换反应中的催化性能研究    王青

纳米四氧化三铁化学法制备及其应用    付佳;许启明;李宁;

四氧化三铁中空/螺旋纤维的制备及形成机理    牟方志;官建国;樊希安;王维;童国秀;李维;

四氧化三铁-沸石复合材料去除水中铵和磷酸盐研究    詹艳慧;林建伟;王虹;王昕睿;黄娜;欧阳丹;

氧化溶液的控制和工艺选择    陶印章

快速除锈剂    林凡;

超细四氧化三铁氧化合成与磁性能研究    刘全民;蒋训雄;贾成科;

碳/四氧化三铁纳米复合材料合成研究    马传国;逯伟;郑海军;王亚珍;罗炎;

氧化溶液的控制和工艺选择    陶印章;

用硫铁矿烧渣制取四氧化三铁超细粉体的研究    苏莉

复印墨粉用四氧化三铁的制备    张晓波;叶学海;刘红光;于晓微;付春明;

仿蜂窝状结构的壳聚糖/四氧化三铁复合多孔材料的制备与表征    柯佳含;王征科;李愔喆;胡巧玲;冯杰;

特殊型貌四氧化三铁粉体的制备研究    胡鸣;姜继森;

浅述四氧化三铁的生成和控制措施    昂正同;

纳米级四氧化三铁的药代动力学和组织分布研究    王国斌;肖勇;陶凯雄;张力;李剑星;夏泽锋;刘劲伟;

种子介导方法合成尺寸可控的四氧化三铁纳米颗粒    张玲;贺蓉;古宏晨;

原位复合法制备壳聚糖/羟基磷灰石/四氧化三铁纳米复合材料    胡巧玲;陈福平;伍佳;李保强;沈家骢;

四氧化三铁/聚(羟乙基-羟乙基乙氧基)天冬酰胺-g-聚己内酯复合磁性纳米颗粒的制备    常飞;宋春梅;李建奇;

四氧化三铁吸附孔雀石绿的动力学    韩润平;徐许峰;何笑天;

纳米材料四氧化三铁致动物组织损伤的研究进展    董华;张瑞华;李丽琴;

四氧化三铁磁性纳米粒子的聚多巴胺表面修饰    安鹏;左芳;丁小斌;郑朝晖;彭宇行;

四氧化三铁及其金银纳米复合物的光学特性研究    王本阳

四氧化三铁纳米颗粒及其复合物的制备和研究    张玲

过渡族金属氧化物Fe_3O_4和Zn_3(VO_4)_2的制备及应用研究    倪世兵

壳聚糖/羟基磷灰石仿生骨材料的研究    李保强

阳离子聚合物/超顺磁性四氧化三铁杂化纳米粒子基因载体研究    刘文明

功能性磁性聚合物微球的制备、表征及其初步应用    邓勇辉

聚丙烯腈/四氧化三铁超滤膜的结构、性能及正交磁场的影响    黄征青

基于嵌段共聚物的多功能纳米复合材料制备及生物医学应用    牛德超

四氧化三铁/稀土钒酸钇多功能复合物的制备及性能研究    石建惠

聚酰亚胺纳米纤维的功能化及性能研究    李学佳

土壤中苯并[α]芘分析方法的研究    宁金艳

石墨烯基超级电容器电极材料的制备及表征    刘铁柱

可控粒径与形貌Fe_3O_4的制备及性能研究    程建辉

单分散二氧化硅以及四氧化三铁/二氧化硅复合颗粒的制备    徐琰清

高分子—四氧化三铁核壳材料的制备    温慧颖

四氧化三铁纳米结构(空心)微球及其复合材料的合成与铬离子吸附性能研究    柳玉彪

纳米四氧化三铁靶向药物的制备及其抗肿瘤活性研究    吴刚

四氧化三铁颗粒的制备及其石墨烯复合材料锂电性能研究    杨万里

溶剂热法制备纳米四氧化三铁研究    付佳

四氧化三铁及其复合纳米结构的电磁响应特性    张帆