摘要
在全球能源危机、环境恶化的背景下，催化剂成为合成人类所需化学品和实现能量高效转化的关键。其中，CO2加氢反应将CO2转化为一氧化碳、甲烷、甲醇、乙醇等化学产品和燃料。在过去的三十年，CO2加氢催化剂体系获得了长足的发展。然而，探究CO2加氢反应依旧面临着表面物种多样、催化剂表面不稳定、反应路径不明确等诸多问题。特别地，由于理论建模过于简化，许多理论模型无法准确描述真实反应条件下反应活性位。催化剂模型与真实催化剂表面一直存在着难以弥补的“鸿沟”。 本论文基于密度泛函理论，以建立合理的CO2加氢CuCo二元合金催化剂模型为目标，探究了制约真实反应条件下催化剂表面建模重要因素，缩小理论催化剂模型与真实反应表面差距。首先，在CoCu合金建模中考虑表面偏析的因素，缩短了理论模型与实际催化表面的“材料鸿沟”。通过密度泛函理论的计算，发现吸附质在不同位点的吸附能差异和合金表面的偏析能呈现良好的线性关系。吸附质诱导合金表面偏析的原动力“吸附偏好”是良好的表面结构描述符，可以用来快速预测合金表面吸附质诱导的偏析方向。结合反应路径的计算和实验，揭示了Co偏析可以提高CO2的活化能力以及甲烷的选择性。在此基础上，进一步向模型中引入覆盖度效应这一因素，缩短了模型与表面的“压力鸿沟”。通过构建热力学表面相图和CO2加氢反应网络，揭示了中等覆盖度下，乙醇前驱体容易生成的机制：中等CO覆盖度的表面可以实现C-O断键与C-C耦合能力的平衡。为指导高性能醇类选择性的合金催化剂提供了重要的理论支持。
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