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【DFT+實驗】ACS Catalysis:Ni-MgCr2O4尖晶石助力乙酸的自熱重整

【DFT+實驗】ACS Catalysis:Ni-MgCr2O4尖晶石助力乙酸的自熱重整
自熱重整(ATR)是一種生物質乙酸(CH3COOH, HAc)制氫的有效途徑,其中鎳(Ni)基催化劑因其高活性而成為ATR的理想催化劑,但結焦的形成阻礙了其實際應用。
基于此,北京理工大學王寧教授和成都理工大學黃利宏等人報道了利用溶膠-凝膠法制備了一系列以Cr2O3或MgCr2O4為載體的Ni-Mg-Cr催化劑,并在ATR中進行了評價。
對比Ni-Cr2O3催化劑,具有MgCr2O4載體的Ni0.25Mg0.75CrO3.5±δ催化劑具有更高的催化性能,乙酸轉化率約為100%。此外,在40 h ATR試驗中,析氫速率達到2.64 mol-H2/mol-HAc,且沒有明顯的結焦現(xiàn)象。
【DFT+實驗】ACS Catalysis:Ni-MgCr2O4尖晶石助力乙酸的自熱重整
通過DFT計算,作者研究了CH3COOH在Ni-Cr2O3和Ni-MgCr2O4催化劑上的轉化路徑和可能的失活機制,構建了一個支撐在Cr2O3(001)和MgCr2O4(111)表面上的Ni4團簇,以下分別稱為Ni4-Cr2O3和Ni4-MgCr2O4
在Ni4-Cr2O3和Ni4-MgCr2O4模型中,Ni4團簇中有3個Ni原子直接與各自的載體相互作用,而遠離載體的另一個Ni原子可能不同。因此,Ni4-Cr2O3模型有3個獨特的吸附位點,而Ni4-MgCr2O4模型有4個獨特的吸附位點。
【DFT+實驗】ACS Catalysis:Ni-MgCr2O4尖晶石助力乙酸的自熱重整
在頂面上,Ni4-Cr2O3模型的吸附能為-145.4 kJ mol?1,而Ni4-MgCr2O4模型的吸附能為-201.7 kJ mol?1。這種大的差異可以歸因于與Ni(111)表面原子相比,團簇原子更不配位,具有更高的反應性。
在團簇的側面,Ni4-Cr2O3模型的乙酸吸附最穩(wěn)定的構型為176.8 kJ mol?1,表明反應物分子不能自發(fā)吸附在Cr2O3支撐的Ni4的周位。結果表明,Ni4與MgCr2O4載體直接接觸的外圍位置較好地被乙酸占據(jù),頂部位置也可能被乙酸占據(jù)。
【DFT+實驗】ACS Catalysis:Ni-MgCr2O4尖晶石助力乙酸的自熱重整
Interface of Ni-MgCr2O4 Spinel Promotes the Autothermal Reforming of Acetic Acid through Accelerated Oxidation of Carbon-Containing Intermediate Species. ACS Catal., 2023.

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