镍基合金催化剂抗积碳机理的第一性原理研究

概括：

寻找无污染的可再生能源是我们当前面临的巨大挑战之一。在众多清洁能源转换装置中，固体氧化物燃料电池（SOFC）因其能量转换效率高、污染小、燃料适应性强等优点而受到广泛关注。它的成功应用可以解决我们目前面临的能源危机和环境污染问题。但在实际应用中仍存在一些不足需要克服。例如，当使用碳氢化合物作为燃料时，催化剂表面会形成积碳，堵塞催化剂的反应位点，使催化剂失去催化活性。这种严重的催化钝化已成为阻碍SOFC商业化发展的瓶颈。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了镍基双金属-Ni/M(M=Au、Ag、Cu)催化剂的表面，包括甲烷(CH4)离解和水(H2O)离解。甲烷蒸汽重整（SRM）过程中的主要反应包括次甲基（CH）氧化为甲酸盐（CHO）和CHO脱氢为一氧化碳（CO）。研究目的是找出镍基双金属催化剂抗积碳的原因，寻找一种既具有抗积碳性能，同时又能保持良好的SRM催化活性的理想催化剂。主要研究工作及成果如下： 1.研究了甲烷的连续脱氢以及最重要的含碳物质（次甲基）在硬币族金属掺杂镍（111）表面的扩散过程。研究结果表明，虽然镍金属掺杂硬币族金属可以在一定程度上影响甲烷的连续脱氢，但合金表面抗积碳的主要原因是CH较大的扩散势垒和不太合适的含碳量。 CHx 物质的活性吸附反应位点。上述研究结果为新型高抗积碳催化剂的设计提供了理论指导。 2.研究了掺杂对甲烷水蒸气重整主要反应催化活性的影响。研究发现，硬币族金属掺杂对水的两步脱氢影响很小，水的解离势垒与OH-H的共吸附能之间存在非常好的线性关系。此外，在所有镍基合金表面上，CHO的脱氢反应在动力学上是有利的；然而，对于CH的氧化，只有Ni-Cu表面保持与纯Ni表面相似的高催化活性。结果表明，Ni-Cu双金属材料是一种SOFC阳极催化剂，具有抗积炭性能和良好的SRM催化活性。

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