催化学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (9): 1558-1565.DOI: 10.1016/S1872-2067(17)62829-8

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水在Au1/CeO2单原子催化剂上吸附与解离的理论研究

汤妍a, 王阳刚a, 梁锦霞a,b, 李隽a   

  1. a 清华大学化学系有机光电子与分子工程教育部重点实验室, 北京 100084;
    b 贵州省纳米材料模拟与计算重点实验室, 贵州贵阳 550018
  • 收稿日期:2017-03-10 修回日期:2017-04-01 出版日期:2017-09-18 发布日期:2017-09-06
  • 通讯作者: 李隽, 王阳刚
  • 基金资助:

    国家自然科学基金(21590792,91645203,21521091).

Investigation of water adsorption and dissociation on Au1/CeO2 single-atom catalysts using density functional theory

Yan Tanga, Yang-Gang Wanga, Jin-Xia Lianga,b, Jun Lia   

  1. a Department of Chemistry and Key Laboratory of Organic Optoelectronics & Molecular Engineering of Ministry of Education, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
    b Guizhou Provincial Key Laboratory of Computational Nano‐Material Science, Guizhou Normal College, Guiyang 550018, China
  • Received:2017-03-10 Revised:2017-04-01 Online:2017-09-18 Published:2017-09-06
  • Contact: 10.1016/S1872-2067(17)62829-8
  • Supported by:

    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (21590792, 91645203 and 21521091).

摘要:

自Haruta和Hutchings发现负载的纳米金催化剂的催化活性后,负载型金催化剂一直是非均相催化的研究重点之一.近年来,单原子催化剂因其优异的活性、选择性,超高的原子利用效率,引起了科学家们的广泛关注.越来越多的单原子金催化剂被成功制备,并被证实具有很好的催化活性.水,作为环境中最常见的物质,在实际的催化体系中往往难以避免,即使在超高真空环境中也会有痕量的水气存在.水的解离不仅是水煤气反应的重要步骤之一,而且对别的反应也有一定的促进作用.尽管水和纳米团簇催化剂之间的研究已经颇有成效,但水和单原子金催化剂之间的作用还不是非常清晰.因此,我们采用密度泛函理论从原子尺度研究了水和Au1/CeO2单原子催化剂的相互作用.
我们首先研究了水在完美CeO2表面和含有一个氧空位的CeO2-x表面上的解离过程,研究发现分子态的水和解离态的水在完美CeO2表面可以共存,而一旦在表面形成氧空位后,由于较低的能垒和极大的放热,解离态的水将占据绝对优势.接下来探索了水在完美Au1/CeO2表面和含有一个氧空位的Au1/CeO2-x表面上的解离过程,发现结论恰好和CeO2表面相反.水的解离过程在完美的Au1/CeO2表面几乎是一个无能垒的过程,并且解离会放出大量的热量.而一旦在表面形成氧空位后,单原子Au的轨道处于满占状态,无法提供水的吸附位点.水的解离过程在Ce位点进行,分子吸附能与解离吸附能相当,分子态与解离态共存.
为了进一步理解单原子金在水的解离过程中起到的作用,我们分析了水和Au1/CeO2之间的电子相互作用.研究结果表明,单原子金不仅为水的吸附提供了位点,金的5d轨道和水的2p轨道之间的相互作用还有效减弱了水中氧氢键的强度,使水的解离更容易进行.由此可见,在涉及到水解离的反应中,以Au1/CeO2为代表的单原子催化剂有望带来新的突破.
最后,我们还测试了范德华力对研究体系的影响.研究发现尽管范德华力会使吸附能的绝对值增加,但是并不影响我们得到的结论.

关键词: 单原子催化剂, 金单原子, 二氧化铈, 水解离

Abstract:

We examined the water adsorption and dissociation on ceria surfaces as well as ceria-supported Au single-atom catalysts using density functional theory calculations. Molecular and dissociative water were observed to coexist on clean CeO2 and reduced Au1/CeO2-x surfaces because of the small dif-ference in adsorption energies, whereas the presence of dissociative water was highly favorable on reduced CeO2-xand clean Au1/CeO2 surfaces. Positively charged Au single atoms on the ceria surface not only provided activation sites for water adsorption but also facilitated water dissociation by weakening the intramolecular O-H bonds. In contrast, negatively charged Au single atoms were not reactive for water adsorption because of the saturation of Au 5d and 6s electron shells. This work provides a fundamental understanding of the interaction between water and single-atom Au cata-lysts.

Key words: Single-atom catalyst, Au single atom, Ceria, H2O dissociation