单个金或银原子掺杂的氧化钒团簇上的甲烷活化反应

王丹 丁迅雷 廖珩璐 戴佳钰

引用本文: 王丹, 丁迅雷, 廖珩璐, 戴佳钰. 单个金或银原子掺杂的氧化钒团簇上的甲烷活化反应[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 1005-1013. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809006 shu
Citation:  WANG Dan, DING Xunlei, LIAO Henglu, DAI Jiayu. Methane Activation on (Au/Ag)1-Doped Vanadium Oxide Clusters[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(9): 1005-1013. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809006 shu

单个金或银原子掺杂的氧化钒团簇上的甲烷活化反应

    通讯作者: 丁迅雷, dingxl@ncepu.edu.cn; 戴佳钰, jydai@nudt.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(91545122, 11774429),湖南省科技项目湖湘青年英才(2017RS3038)和中央高校基本科研业务费专项资金(JB2015RCY03)

摘要: 运用密度泛函理论系统研究了甲烷在MV3Oyq (M = Au/Ag,y = 6–8,q = 0或±1)团簇上的吸附和活化。研究得到了吸附体系的微观几何构型、吸附能、电荷分布等性质,找到了5个可以明显活化甲烷分子的含Au团簇。在这些体系中,Au均吸附在基底团簇V3Oyq的O位置,而CH4均在Au原子上被活化。团簇电荷对活化能力有明显影响,阳离子团簇的活化能力最强,中性体系次之,阴离子团簇的活化能力很弱。测试计算表明引入D3色散矫正对于体系结构和能量的计算结果影响不大。本文作为单原子催化剂上甲烷吸附和活化反应的团簇模型研究,为进一步研究单原子催化剂上甲烷的活化机理提供了基础,也为合理设计低温下甲烷转化的单原子催化剂提供了有益的线索。

English

    1. [1]

      Mundhwa, M.; Thurgood, C. P. Fuel Process. Technol. 2017, 168, 27. doi: 10.1016/j.fuproc.2017.08.031

    2. [2]

      Dang, T. T. H.; Seeburg, D.; Radnik, J.; Kreyenschulte, C.; Atia, H.; Vu, T. T. H.; Wohlrab, S. Catal. Commun. 2018, 103, 56. doi: 10.1016/j.catcom.2017.09.004

    3. [3]

      Burch, R.; Chalker, S.; Loader, P.; Thomas, J. M.; Ueda, W. Appl. Catal. A: Gen. 1992, 82, 77. doi: 10.1016/0926-860X(92)80007-Y

    4. [4]

      Schwarz, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 10096. doi: 10.1002/anie.201006424

    5. [5]

      Tang, W.; Hu, Z.; Wang, M.; Stucky, G. D.; Metiu, H.; McFarland, E. W. J. Catal. 2010, 273, 125. doi: 10.1016/j.jcat.2010.05.005

    6. [6]

      Ashcroft, A. T.; Cheetham, A. K.; Green, M. L. H.; Vernon, P. D. F. Nature 1991, 352, 225. doi: 10.1038/352225a0

    7. [7]

      Enger, B. C.; Lodeng, R.; Holmen, A. Appl. Catal. A: Gen. 2008, 346, 1. doi: 10.1016/j.apcata.2008.05.018

    8. [8]

      Zhu, Q.; Zhao, X.; Deng, Y. J. Nat. Gas Chem. 2004, 13, 191.

    9. [9]

      Bawornruttanaboonya, K.; Devahastin, S.; Mujumdar, A. S.; Laosiripojana, N. Int. J. Heat Mass Tran. 2017, 115, 174. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.08.027

    10. [10]

      Chai, R. J.; Zhang, Z. Q.; Chen, P. J.; Zhao, G. F.; Liu, Y.; Lu, Y. Microporous Mesoporous Mat. 2017, 253, 123. doi: 10.1016/j.micromeso.2017.07.005

    11. [11]

      Cihlar, J.; Vrba, R.; Castkova, K.; Cihlar, J. Int. J. Hydrog. Energy 2017, 42, 19920. doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.06.075

    12. [12]

      Zavyalova, U.; Holena, M.; Schlögl, R.; Baerns, M. ChemCatChem 2011, 3, 1935. doi: 10.1002/cctc.201100186

    13. [13]

      Wei, Q. H.; Gao, X. H.; Liu, G. G.; Yang, R. Q.; Zhang, H. B.; Yang, G. H.; Yoneyama, Y.; Tsubaki, N. Fuel 2018, 211, 1. doi: 10.1016/j.fuel.2017.08.093

    14. [14]

      王胜, 高典楠, 张纯希, 袁中山, 张朋, 王树东, 化学进展, 2008, 20, 789.Wang, S.; Gao, D. N.; Zhang, C. X.; Yuan, Z. S.; Zhang, P.; Wang, S. D. Prog. Chem. 2008, 20, 789.

    15. [15]

      Gao, J.; Guo, J. Z.; Liang, D.; Hou, Z. Y.; Fei, J. H.; Zheng, X. M. Int. J. Hydrog. Energy 2008, 33, 5493. doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.07.040

    16. [16]

      Tompos, A.; Margitfalvi, J. L.; Hegedus, M.; Szegedi, A.; Fierro, J. L. G.; Rojas, S. Comb. Chem. High T. Scr. 2007, 10, 71. doi: 10.2174/138620707779802841

    17. [17]

      Launay, H.; Loridant, S.; Nguyen, D. L.; Volodin, A. M.; Dubois, J. L.; Millet, J. M. M. Catal. Today 2007, 128, 176. doi: 10.1016/j.cattod.2007.07.014

    18. [18]

      Wang, X.; Qi, G.; Xu, J.; Li, B.; Wang, C.; Deng, F. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 3850. doi: 10.1002/anie.201108634

    19. [19]

      He, J. L.; Xu, T.; Wang, Z. H.; Zhang, Q. H.; Deng, W. P.; Wang, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 2438. doi: 10.1002/anie.201104071

    20. [20]

      Guo, X.; Fang, G.; Li, G.; Ma, H.; Fan, H.; Yu, L.; Ma, C.; Wu, X.; Deng, D.; Wei, M.; et al. Science 2014, 344, 616. doi: 10.1126/science.1253150

    21. [21]

      Schlangen, M.; Schwarz, H. Catal. Lett. 2012, 142, 1265. doi: 10.1007/s10562-012-0892-3

    22. [22]

      Lang, S. M.; Frank, A.; Bernhardt, T. M. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 9791. doi: 10.1021/jp312852r

    23. [23]

      Zhou, S.; Yue, L.; Schlangen, M.; Schwarz, H. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 14297. doi: 10.1002/anie.201704979

    24. [24]

      Schwarz, H.; Shaik, S.; Li, J. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 17201. doi: 10.1021/jacs.7b10139

    25. [25]

      Ding, X. L.; Wu, X. N.; Zhao, Y. X.; He, S. G. Acc. Chem. Res. 2012, 45, 382. doi: 10.1021/ar2001364

    26. [26]

      Zhao, Y. X.; Wu, X. N.; Ma, J. B.; He, S. G.; Ding, X. L. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 1925. doi: 10.1039/c0cp01171a

    27. [27]

      Ding, X. L.; Zhao, Y. X.; Wu, X. N.; Wang, Z. C.; Ma, J. B.; He, S. G. Chem. Eur. J. 2010, 16, 11463. doi: 10.1002/chem.201001297

    28. [28]

      Wu, X. N.; Ding, X. L.; Li, Z. Y.; Zhao, Y. X.; He, S. G. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 24062. doi: 10.1021/jp5059403

    29. [29]

      Lang, S. M.; Bernhardt, T. M.; Chernyy, V.; Bakker, J. M.; Barnett, R. N.; Landman, U. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 13406. doi: 10.1002/anie.201706009

    30. [30]

      Qiao, B.; Wang, A.; Yang, X.; Allard, L. F.; Jiang, Z.; Cui, Y.; Liu, J.; Li, J.; Zhang, T. Nat. Chem. 2011, 3, 634. doi: 10.1038/Nchem.1095

    31. [31]

      Zhou, X.; Shen, Q.; Yuan, K.; Yang, W.; Chen, Q.; Geng, Z.; Zhang, J.; Shao, X.; Chen, W.; Xu, G.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 554. doi: 10.1021/jacs.7b10394

    32. [32]

      Sun, W.; Shi, R. N.; Wang, X. H.; Liu, S. S.; Han, X. X.; Zhao, C. F.; Li, Z.; Ren, J. Appl. Surf. Sci. 2017, 425, 291. doi: 10.1016/j.apsusc.2017.07.002

    33. [33]

      Yuan, J.; Zhang, W.; Li, X.; Yang, J. Chem. Commun. 2018, 54, 2284. doi: 10.1039/c7cc08713f

    34. [34]

      Wu, X. N.; Li, X. N.; Ding, X. L.; He, S. G.Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 2444. doi: 10.1002/anie.201207016

    35. [35]

      Ding, X. L.; Wang, D.; Li, R. J.; Liao, H. L.; Zhang, Y.; Zhang, H. Y. Phys. Chem. Chem. Phys.2016, 18, 9497. doi: 10.1039/c6cp00808a

    36. [36]

      Ding, X. L.; Li, Z. Y.; Meng, J. H.; Zhao, Y. X.; He, S. G. J. Chem. Phys.2012, 137, 214311. doi: 10.1063/1.4769282

    37. [37]

      Stephens, P. J.; Devlin, F. J.; Chabalowski, C. F.; Frisch, M. J. J. Phys. Chem. 1994, 98, 11623. doi: 10.1021/j100096a001

    38. [38]

      Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; et al., Gaussian 09, Revision D.01; Gaussian, Inc.: Wallingford CT, 2009.

    39. [39]

      Asmis, K. R.; Wende, T.; Brummer, M.; Gause, O.; Santambrogio, G.; Stanca-Kaposta, E. C.; Dobler, J.; Niedziela, A.; Sauer, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 9377. doi: 10.1039/C2cp40245a

    40. [40]

      Asmis, K. R.; Sauer, J. Mass Spectrom. Rev. 2007, 26, 542. doi: 10.1002/mas.20136

    41. [41]

      Santambrogio, G.; Brümmer, M.; Wöste, L.; Döbler, J.; Sierka, M.; Sauer, J.; Meijer, G.; Asmis, K. R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 3992. doi: 10.1039/b803492c

    42. [42]

      Fielicke, A.; Mitrić, R.; Meijer, G.; Bonačić-Koutecký, V.; von Helden, G. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 15716. doi: 10.1021/ja036264d

    43. [43]

      Bell, R. C.; Zemski, K. A.; Justes, D. R.; Castleman, A. W., Jr. J. Chem. Phys. 2001, 114, 798. doi: 10.1063/1.1329643

    44. [44]

      Zhang, X. H.; Schwarz, H. Chem. Eur. J. 2010, 16, 1163. doi: 10.1002/chem.200902810

    45. [45]

      Rozanska, X.; Fortrie, R.; Sauer, J. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 6041. doi: 10.1021/jp071409e

    46. [46]

      Döbler, J.; Pritzsche, M.; Sauer, J. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 12454. doi: 10.1021/jp901774t

    47. [47]

      Ding, X. L.; Xue, W.; Ma, Y. P.; Zhao, Y. X.; Wu, X. N.; He, S. G. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 3161. doi: 10.1021/jp9112415

    48. [48]

      Ma, J. B.; Wu, X. N.; Zhao, Y. X.; Ding, X. L.; He, S. G. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 12223. doi: 10.1039/C0CP00360C

    49. [49]

      Ma, J. B.; Meng, J. H.; He, S. G. Dalton Trans. 2015, 44, 3128. doi: 10.1039/c4dt03398a

    50. [50]

      马嘉璧, 吴晓楠, 赵艳霞, 何圣贵, 丁迅雷.物理化学学报, 2010, 26, 1761. doi: 10.3866/pku.whxb20100737Ma, J. B.; Wu, X. N.; Zhao, Y. X.; He, S. G.; Ding, X. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26, 1761. doi: 10.3866/pku.whxb20100737

    51. [51]

      Weigend, F.; Ahlrichs, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 3297. doi: 10.1039/b508541a

    52. [52]

      Zhao, Y. X.; Ding, X. L.; Ma, Y. P.; Wang, Z. C.; He, S. G. Theor. Chem. Acc. 2010, 127, 449. doi: 10.1007/s00214-010-0732-8

    53. [53]

      Grimme, S. WIREs Comput. Mol. Sci. 2011, 1, 211. doi: 10.1002/wcms.30

    54. [54]

      Goerigk, L.; Grimme, S. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 6670. doi: 10.1039/C0cp02984j

    55. [55]

      Lu, T.; Chen, F. J. Mol. Model. 2013, 19, 5387. doi: 10.1007/s00894-013-2034-2

    56. [56]

      Grimme, S.; Ehrlich, S.; Goerigk, L. J. Comput. Chem. 2011, 32, 1456. doi: 10.1002/jcc.21759

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  9
  • 文章访问数:  836
  • HTML全文浏览量:  141
文章相关
  • 发布日期:  2019-09-15
  • 收稿日期:  2018-09-04
  • 接受日期:  2018-10-15
  • 修回日期:  2018-10-15
  • 网络出版日期:  2018-09-18
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