石墨烯负载的铜基催化剂表面形貌及催化机理的理论研究

Copper-based catalysts have attracted considerable interests due to its low cost, simple preparation and the potential to replace noble metal catalysts. Specifically, the supported ones are the most common catalysts. Recently, graphene has been investigated as a catalyst support. However, the study of graphene as the support for copper-based catalysts is relatively rare. In this project, we choose graphene as the support. A density functional study will be employed to investigate the geometries and electrical properties of Cu, Cu2O and CuO on graphene and their interaction. In order to understand its structure-reactivity relationship, reaction mechanism of CO oxidation, NO oxidation and ethylene epoxidation on graphene-supported copper-based catalysts will be further studied in detail. Our work can not only help discover the broader applications of graphene, but also provide the scientific basis and possible schemes for material designs on the supported copper-based catalysts with high activity.

铜基催化剂因其价格低廉、制备方法简单、为最有潜力的替贵金属催化剂等优势而备受青睐。工业催化过程中多采用负载型铜基催化剂。研究表明，由新型碳材料石墨烯作载体的催化剂显示出相当可观的应用前景。但是目前，以石墨烯为载体负载铜基催化剂的研究仍然不多。本项目选择石墨烯作载体，采用密度泛函理论方法研究铜基催化剂活性组分（Cu、Cu2O和CuO）在载体表面的几何和电子结构及其与载体的相互作用。并以CO氧化、NO氧化及乙烯环氧化反应为模型反应，研究石墨烯负载的铜基催化剂的催化机理，从而探讨负载型铜基催化剂的结构与催化性能之间的构效关系。课题的开展有利于拓宽石墨烯的应用领域, 同时为设计和研发高效实用的负载型铜基催化剂提供可靠的理论依据。

铜基催化剂因其价格低廉、制备方法简单、为最有潜力的替贵金属催化剂等优势而备受青睐。工业催化过程中常采用负载型铜基催化剂。新型碳材料石墨烯因其大的二维表面积和稳定的热学性质而被看作是一类优秀的催化剂载体材料。但是目前，对石墨烯为载体负载铜基催化剂的认识还很缺乏。本项目针对以上研究背景，选择石墨烯作载体，活性组分分别为Cu、CuO和Cu2O，研究了在同一载体不同铜基催化剂活性组分相互作用对CO、O2吸附及CO氧化反应的反应性能的影响；探讨了活性组分为单层或多层分散时，活性组分不同厚度对CO氧化反应的影响，旨在揭示该类负载型铜基催化剂的微观结构与催化性能之间的构效关系，为石墨烯基复合催化剂和铜基催化剂的设计优化提供重要的理论指导。.研究发现：石墨烯与铜基催化剂活性组分Cu和Cu2O可以有效的结合，特别是Cu，其粘附能为3.62 J/m2。石墨烯负载的Cu和Cu2O催化剂对CO氧化反应表现较高的催化活性，而且发现载体及薄膜厚度均对CO氧化反应产生影响。另外，在石墨烯负载的Cu和Cu2O表面，CO氧化反应即可被分子氧氧化也可被解离氧氧化。.项目执行期间，已在在Phys. Chem. Chem. Phys.、Appl. Surf. Sci.、RSC Adv.、J. Coll. Inter. Sci.等国际学术期刊上发表SCI二区论文共计5篇，且还有一些研究结果正在整理中。参加国内学术会议1次，参加VASP培训班1次，培养硕士研究生1名。