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第一作者：Changdong Li

通訊作者：余英哲

通訊單位：天津大學

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本文通過結合密度泛函理論（DFT）和動力學蒙特卡洛（kMC）模擬，深入研究了Cu/ZnO催化劑上二甲基馬來酸（DMM）氫化反應的活性位點和反應網絡。研究發現Cu?ZnO協同效應通過促進酯基羰基的錨定和降低羥基形成難度來影響反應過程。

通過態密度、Bader電荷分析以及速率控制度分析，揭示了反應機理，并提出了通過改變活性位點來提高γ-丁內酯（GBL）形成率和1, 4-丁二醇（BDO）選擇性的策略。

此外，通過調節溫度和壓力確定了不同目標產物的最佳反應條件。本研究為Cu/ZnO/Al₂O₃催化劑的活性位點改造提供了指導，并為涉及C₄₊物質的復雜反應系統的多尺度模擬研究提供了可能性。

圖文導讀

圖1：ZnO/Cu(111)催化劑表面的頂視圖和側視圖。

圖2：DMM在Cu(111)和ZnO/Cu(111)表面上的吸附模型。

圖3：在T = 493 K, p = 5 MPa, 和 n_H2/n_DMM = 200: 1條件下，通過DMM形成DMSu的每個基本步驟的轉化頻率（TOF）和表面中間體的覆蓋率隨時間的變化。

圖4：從DMSu*激活開始，所有可能的MGHB（DMSu + 2H₂ → MGHB + CH₃OH）和GBL（DMSu + 2H₂ → GBL + 2CH₃OH）形成路徑的能量圖。

圖5：ZnO/Cu(111)表面的總態密度（TDOS）和局部態密度（PDOS），以及DMSu吸附后與表面原子相互作用的PDOS。

圖6：ZnO/Cu(111)催化劑表面以及重要中間體的Bader電荷分布和差分電荷密度差異。

總結展望

本研究通過DFT和kMC模擬相結合的方法，深入分析了Cu/ZnO催化劑上二甲基馬來酸氫化反應（HDMM）的反應機理和動力學。研究揭示了Cu?ZnO協同效應在促進酯基吸附和活化以及降低羥基形成難度方面的作用。

通過速率控制度分析，確定了低溫下GBL形成速率控制步驟，并提出了通過構建新的活性位點來降低CH₃O*加氫反應的能壘，從而提高GBL形成速率的策略。

此外，研究還探討了通過改變活性位點來提高BDO選擇性的可能性，以及通過調節反應條件來優化不同目標產物的產率和選擇性。這些發現不僅為Cu/ZnO/Al₂O₃催化劑的改造提供了指導，也為研究涉及C₄₊物質的復雜反應系統提供了多尺度模擬的潛在方法。

文獻信息

標題：Revealing the Reaction Network for Dimethyl Maleate Hydrogenation on the Active Sites of Cu/ZnO Catalysts Combining DFT with kMC Analysis

期刊：ACS Catalysis

DOI：10.1021/acscatal.4c01057

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