表面合金化提高Cu/ZnO催化CO2加氢制甲醇性能的理论研究

随着全球气候变暖和化石能源短缺问题的凸显，金属/氧化物催化CO2加氢制甲醇成为多相催化领域的热点研究课题。诠释表面形成CuZn合金为什么能够改善Cu/ZnO甲醇合成工业催化剂的催化性能是一件颇具意义的基础性研究工作。本项目旨在实现这一研究目标，拟利用基于第一性原理的微观反应动力学模拟，对比研究Cu/ZnO催化剂的Cu/ZnO界面、Cu/ZnO界面氧空缺位和表面CuZn合金等关键活性位催化CO2加氢的微观反应机理及其动力学性质，进而从理论上证实表面合金化有助于提高甲醇合成催化剂的活性和选择性。结合表面电子结构分析和Bronsted-Evans-Polanyi原理，本项目试图建立催化剂表面微观结构与CO2催化加氢反应的周转频率(TOF)等动力学参数的关系，以探寻CuZn合金能显著提高Cu/ZnO催化性能的途径和原因，为实验室制备高性能甲醇合成催化剂提供可操作性的理论指导。

随着全球气候变暖和化石能源短缺问题的凸显，金属/氧化物催化CO2加氢制甲醇成为多相催化领域的一个热点研究课题。诠释表面形成Cu3Zn合金为什么能够改善Cu/ZnO甲醇合成工业催化剂的催化性能是一件颇具意义的基础性研究工作。本项目采用基于第一性原理的微观反应动力学方法，对Cu/ZnO界面和Cu3Zn合金表面催化CO2加氢性能进行了系统地研究。考察了由CO2和H2反应生成甲醇的所有可能反应通道，具体包括了甲酸根（HCOO），羧基（HOCO）和一氧化碳（CO）三个平行机理。计算模拟结果显示，金属–氧化物界面和发生原子偏析的表面合金都有助于提高Cu/ZnO催化剂的甲醇合成活性。但这两个协同作用的促进原理互不同：前者主要是通过表面氢溢流提高反应位加氢用氢原子浓度，而后者是直接降低反应速决步骤的活化能。结合Brönsted-Evans-Polanyi原理，解释了表面Cu3Zn合金形成能提高Cu/ZnO催化性能的原因。研究成果丰富了Cu/ZnO甲醇催化剂催化原理的认识，并为实验室制备高性能甲醇合成新型催化剂提供可操作性的理论指导。