表面結(jié)構(gòu)與催化性能關(guān)系的模型催化實(shí)驗(yàn)
——以CuO/Cu2O納米晶催化乙烯實(shí)驗(yàn)與量化計(jì)算為例

劉梓歌，王炯涵，李俍，江國(guó)順，李紅春，吳強(qiáng)華，張萬(wàn)群，馮紅艷，吳紅，王鈺熙

化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué))，合肥 230026

催化劑表面結(jié)構(gòu)與催化性能之間的關(guān)系一直是表面催化領(lǐng)域的前沿研究課題。該課題包含了催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、表面化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)中重要的物化概念及實(shí)驗(yàn)方法，因此有必要引入到物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。而在物化的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件的苛刻性或者催化劑表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜性等原因[1]，這一重要課題鮮少被涉及，毫無(wú)疑問(wèn)限制了學(xué)生對(duì)于催化劑結(jié)構(gòu)及催化過(guò)程的進(jìn)一步理解。近年來(lái)，科研工作者提出的基于形貌規(guī)整、大小均一、組成可控的納米晶催化劑可以在實(shí)際催化反應(yīng)條件下研究催化劑表面結(jié)構(gòu)和催化性能的方法[2,3]，使得將這一前沿課題納入實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為可能。

通過(guò)對(duì)催化劑活性進(jìn)行測(cè)試，可獲得催化劑宏觀性能數(shù)據(jù)；通過(guò)量化計(jì)算研究催化劑微觀性能，可獲得原子層面上的催化劑表面結(jié)構(gòu)信息和催化反應(yīng)機(jī)理。實(shí)驗(yàn)與量化計(jì)算互相驗(yàn)證和補(bǔ)充，可建立起研究宏觀催化性能與微觀表面結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的通道。其中，量化計(jì)算已經(jīng)是物理化學(xué)研究的必要手段，也是本科物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)酥廖锢砘瘜W(xué)教學(xué)中一個(gè)亟待補(bǔ)充完善的內(nèi)容，我們?cè)诒緦?shí)驗(yàn)中進(jìn)行了量化計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析的嘗試。

教學(xué)組選取了性質(zhì)穩(wěn)定、易于制備[4]的暴露(100)晶面和(111)晶面的立方體和八面體CuO/Cu2O納米晶作為模型催化劑體系，同時(shí)基于綠色安全性的考慮，將科研工作中的一氧化碳實(shí)驗(yàn)體系[2,3]改為乙烯作為反應(yīng)氣的新實(shí)驗(yàn)體系，設(shè)計(jì)了結(jié)合催化劑活性測(cè)試和量化計(jì)算的創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了兩種表面結(jié)構(gòu)不同的催化劑對(duì)乙烯的催化氧化活性，通過(guò)Arrhenius公式計(jì)算表觀活化能，判斷兩者表面活性位點(diǎn)的差異。隨后通過(guò)搭建CuO/Cu2O晶面結(jié)構(gòu)并判斷活性位點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)催化劑微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，由量化計(jì)算研究乙烯分子在催化劑表面的吸附情況，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，進(jìn)而從微觀上理解表面結(jié)構(gòu)對(duì)催化活性的影響。通過(guò)對(duì)納米晶模型催化劑體系的實(shí)驗(yàn)與量化計(jì)算結(jié)果的綜合討論，掌握研究催化劑宏觀催化性能-微觀表面結(jié)構(gòu)關(guān)系的方式方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1.1 活性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用流動(dòng)法測(cè)定固相催化劑的活性，使用轉(zhuǎn)化率評(píng)價(jià)催化劑的活性。轉(zhuǎn)化率指反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化量占引入反應(yīng)器反應(yīng)物總量的百分比。實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)氣為乙烯與空氣的混合氣體(乙烯/空氣體積比為0.5%)?；钚詼y(cè)試實(shí)驗(yàn)試劑、催化劑、實(shí)驗(yàn)儀器詳細(xì)信息請(qǐng)見(jiàn)表1-表3。

在200-300 °C的溫度范圍，反應(yīng)氣能穩(wěn)定存在。當(dāng)反應(yīng)氣經(jīng)過(guò)CuO/Cu2O納米晶催化劑床層時(shí)，會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：

實(shí)驗(yàn)通過(guò)氫火焰離子檢測(cè)器(FID)檢測(cè)乙烯含量。FID的工作原理是含碳有機(jī)物在氫火焰中燃燒時(shí)，產(chǎn)生化學(xué)電離，在電場(chǎng)作用下，正離子被收集到負(fù)極，產(chǎn)生電流，經(jīng)過(guò)放大收集記錄數(shù)據(jù)。對(duì)于在相同的反應(yīng)條件下(同樣的催化劑裝量，反應(yīng)物料的進(jìn)料速度等)，根據(jù)(1)式計(jì)算不同反應(yīng)溫度下的乙烯轉(zhuǎn)化率χ。

其中[A]0為反應(yīng)氣在反應(yīng)管入口處的乙烯濃度；[A]為出口的乙烯濃度。利用氣相色譜分析，[A]0、[A]分別對(duì)應(yīng)于色譜峰的峰面積S0和S。轉(zhuǎn)化率又可表示為：

利用Arrhenius公式得到該催化反應(yīng)的表觀活化能Ea。具體計(jì)算過(guò)程如下：

即

其中，k為速率常數(shù)，Ea為表觀活化能，R為氣體常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度，A為指前因子。

其中，γ為化學(xué)反應(yīng)速率；A’為反應(yīng)相關(guān)的常數(shù)。

其中，S為乙烯反應(yīng)氣體的流量，實(shí)驗(yàn)中在室溫下控制流量為20 mL·min-1，即1200 mL·h-1；η為乙烯體積占比，為0.005；χ為乙烯催化氧化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率；ρ為乙烯的密度，標(biāo)準(zhǔn)狀況下的乙烯密度為1.264 g·L-1，利用理想氣體方程計(jì)算室溫下(25 °C)的密度為1.158 g·L-1；m為催化劑質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)上稱取0.05 g；Mr為乙烯的相對(duì)分子質(zhì)量。

1.1.2 量化計(jì)算

量化計(jì)算已成為研究材料性質(zhì)的重要手段之一，在材料催化機(jī)理的理解方面也發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。使用相關(guān)應(yīng)用程序可實(shí)現(xiàn)密度泛函理論數(shù)值方法的計(jì)算，幫助我們從原子尺度上研究材料表面催化性質(zhì)。SIESTA (Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms)是一個(gè)免費(fèi)的計(jì)算軟件，可用于分子和固體的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬，基于其內(nèi)在原理，通常可以在一般的工作站上模擬幾百個(gè)原子的體系[5]。

基于自旋極化的密度泛函理論(DFT)方法[6]，使用SIESTA軟件包來(lái)完成所有的計(jì)算。在計(jì)算中，采用的是廣義梯度近似方法(GGA)的Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)交換泛函[7]。為了分析乙烯分子在催化劑表面的吸附，建立2 × 2的CuO/Cu2O(100)和CuO/Cu2O(111)的超胞來(lái)分別模擬立方體和八面體CuO/Cu2O納米晶晶面結(jié)構(gòu)。2 × 2 × 1k點(diǎn)網(wǎng)格用于描述結(jié)構(gòu)優(yōu)化的布里淵區(qū)。網(wǎng)格的能量截?cái)嘀翟O(shè)為150 Ry，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的力收斂標(biāo)準(zhǔn)低于0.05 eV·?-1(1 ? = 0.1 nm)。分子在催化劑表面上的吸附能Ead定義為：Ead=Etotal-Esurf-Emol，其中Etotal、Esurf和Emol分別代表吸附體系的總能量、干凈催化劑表面的能量和吸附分子在氣相中的能量。量化計(jì)算軟硬件詳細(xì)信息請(qǐng)見(jiàn)表4。

1.2 試劑和材料

表1 實(shí)驗(yàn)試劑

表2 催化劑信息

1.3 儀器和表征方法

1.3.1 催化劑活性測(cè)試

表3 實(shí)驗(yàn)儀器

1.3.2 催化劑表征儀器

JSM-6700F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本電子公司)，大功率轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀(日本理學(xué)公司)，ESCALAB 250型高性能電子能譜儀(Thermo-VG Scientific公司)，JEM ARM-200F型高分辨透射電子顯微鏡(日本電子公司)。

1.3.3 量化計(jì)算軟硬件

表4 量化計(jì)算軟硬件

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟和方法

1.4.1 催化劑表征結(jié)果學(xué)習(xí)

教學(xué)組提供的兩組催化劑樣品是通過(guò)參考文獻(xiàn)[8]中方法合成得到，首先制備形貌規(guī)整的立方體與八面體Cu2O納米晶，表面經(jīng)過(guò)氧化重構(gòu)后形成了一層CuO薄膜，最終得到具有核殼結(jié)構(gòu)的立方體和八面體CuO/Cu2O納米晶，分別記為CuO/c-Cu2O和CuO/o-Cu2O。該催化劑的相關(guān)表征結(jié)果會(huì)在講義中給出，表征結(jié)果分析作為實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)考核的一部分內(nèi)容。

1.4.2 催化劑活性測(cè)試

在活性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，小組同學(xué)得到兩組催化劑，分別是立方體納米晶，記為CuO/c-Cu2O，和八面體納米晶，記為CuO/o-Cu2O。催化劑的活性測(cè)試是在固定床式反應(yīng)器上進(jìn)行的，稱取50 mg催化劑與50 mg SiO2均勻混合后轉(zhuǎn)移進(jìn)石英管中，反應(yīng)氣體為0.5%乙烯-空氣混氣，氣體流速為20 mL·min-1，通過(guò)小組討論，選擇一系列溫度梯度進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)溫度下保溫15 min后測(cè)量。

1.4.3 量化計(jì)算

1.4.3.1 建立結(jié)構(gòu)模型

使用Materials Studio 8.0軟件建立分子、催化劑表面和催化劑表面分子吸附的初始構(gòu)型，包括建立乙烯分子模型；參考Huang等[2,3]報(bào)道的CuO/Cu2O界面模型，建立CuO/Cu2O(100)和CuO/ Cu2O(111)表面slab模型(圖1)來(lái)分別模擬CuO/c-Cu2O和CuO/o-Cu2O；在提供的CuO/Cu2O(111)和CuO/Cu2O(100)表面(已結(jié)構(gòu)優(yōu)化)上初步確定可能的吸附位點(diǎn)并建立分子的吸附結(jié)構(gòu)。

圖1 通過(guò)Materials Studio 8.0軟件建立CuO/Cu2O(100) (圖A)和CuO/Cu2O(111) (圖B)的表面結(jié)構(gòu)模型

其中，在建立2 × 2的CuO/Cu2O(100)和CuO/Cu2O(111)的超胞模型時(shí)，選擇x和y方向平行于表面而z方向垂直表面，同時(shí)在z方向選擇18 ?的真空層以避免表面之間的相互作用力。在CuO/Cu2O(100)和CuO/Cu2O(111)結(jié)構(gòu)中，分別共有13和15層原子層(z坐標(biāo)相同的為同一層)，其中在頂端的四層中均添加O原子構(gòu)成Cu和O原子個(gè)數(shù)比為1 : 1的CuO層，同時(shí)在量化計(jì)算時(shí)，均需固定底端的原子，固定層數(shù)分別為5和6層。

1.4.3.2 量化計(jì)算及查看結(jié)果

使用SIESTA軟件計(jì)算時(shí)，需準(zhǔn)備輸入文件(后綴名為.fdf)和贗勢(shì)文件(后綴名為.psf)。準(zhǔn)備輸入文件時(shí)，從Materials Studio 8.0軟件中導(dǎo)出小組分配好的結(jié)構(gòu)文件(文件格式為.car)，按格式生成計(jì)算所需要的坐標(biāo)文件，設(shè)置計(jì)算方法和精度。在Xshell軟件操作界面下向超算集群提交計(jì)算任務(wù)。計(jì)算結(jié)束后，從輸出文件(OUT)中查看計(jì)算體系的能量值，計(jì)算分子在催化劑表面的吸附能。將得到的結(jié)構(gòu)文件(后綴名為.STRUCT_OUT)轉(zhuǎn)化成Materials Studio 8.0軟件可識(shí)別的坐標(biāo)文件格式，導(dǎo)入Materials Studio 8.0軟件中，在可視化界面下查看結(jié)構(gòu)信息。

2 結(jié)果與討論

2.1 催化劑表征結(jié)果學(xué)習(xí)

2.1.1 Cu2O表征結(jié)果

c-Cu2O和o-Cu2O的FESEM與HRTEM表征結(jié)果如圖2所示。其中，立方體的平均尺寸約為600 nm，八面體的平均尺寸約為400 nm。根據(jù)HRTEM圖像圖2C和圖2F，c-Cu2O晶體的晶面間距為0.21 nm和0.21 nm，且晶面夾角約為90°，分別對(duì)應(yīng)Cu2O的(020)面和(200)晶面(PDF卡片，No.78-2076)。o-Cu2O晶體的晶面間距為0.25 nm和0.25 nm，且晶面夾角約為71°，分別對(duì)應(yīng)Cu2O的(111)面和(1-11)面(PDF卡片，No.78-2076)。以上可以說(shuō)明制備得到的立方體和八面體兩種Cu2O納米晶主要暴露了(100)晶面和(111)晶面。

圖2 (A) c-Cu2O的FESEM圖；(B，C) c-Cu2O的HRTEM圖；(D) o-Cu2O的FESEM圖；(E，F(xiàn)) o-Cu2O的HRTEM圖

2.1.2 CuO/Cu2O表征結(jié)果

對(duì)表面重構(gòu)后的催化劑樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果如圖3所示。由HRTEM圖像可知，經(jīng)過(guò)表面重構(gòu)后，兩組納米晶表面產(chǎn)生一層約3 nm厚的薄膜。在XPS譜圖中Cu 2p3/2的結(jié)合能位于933.2 eV，同時(shí)在940-945 eV出現(xiàn)衛(wèi)星峰，證明Cu2O納米晶表面的薄膜是被氧化產(chǎn)生的CuO薄膜。XRD圖譜在29.6°，36.4°，42.3°，61.4°，73.5°出現(xiàn)的衍射峰，分別對(duì)應(yīng)Cu2O的(110)，(111)，(200)，(220)，(311)晶面(PDF卡片，No.78-2076)，說(shuō)明CuO/c-Cu2O與CuO/o-Cu2O的體相結(jié)構(gòu)仍然保持為Cu2O晶相。

圖3 (A，B) CuO/c-Cu2O和CuO/o-Cu2O的HRTEM圖，(C，D) CuO/c-Cu2O和CuO/o-Cu2O的XPS譜圖和XRD譜圖

2.2 活性測(cè)試

活性測(cè)試實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果如圖4所示。CuO/c-Cu2O在270 °C開(kāi)始顯示活性，在300 °C時(shí)轉(zhuǎn)化率為21.5%；而CuO/o-Cu2O在220 °C就開(kāi)始顯示活性，在300 °C轉(zhuǎn)化率高達(dá)80.3%，說(shuō)明CuO/o-Cu2O對(duì)乙烯的催化活性比CuO/c-Cu2O高。對(duì)Arrhenius曲線進(jìn)行擬合，CuO/c-Cu2O和CuO/o-Cu2O催化乙烯氧化的表觀活化能分別為117.0 ± 4.3 kJ·mol-1和77.7 ± 3.2 kJ·mol-1，兩者的表觀活化能差別很大，這說(shuō)明兩種催化劑在反應(yīng)中的反應(yīng)活性位點(diǎn)不同，并且遵循不同的反應(yīng)機(jī)理。

圖4 CuO/c-Cu2O和CuO/o-Cu2O催化乙烯氧化的轉(zhuǎn)化率(A)和Arrhenius曲線(B)

轉(zhuǎn)化率結(jié)果對(duì)于溫度穩(wěn)定時(shí)間、反應(yīng)氣流量十分敏感，且這兩個(gè)變量引起誤差無(wú)法消除，故學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需保證達(dá)到溫度穩(wěn)定時(shí)間并監(jiān)控氣體流量確保其狀態(tài)穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，反應(yīng)器到達(dá)設(shè)定溫度后穩(wěn)定15-20 min后開(kāi)始測(cè)試，反應(yīng)氣流量需控制在20 mL·min-1。

2.3 量化結(jié)果分析

催化劑表面上未飽和配位的原子往往作為活性中心，在CuO/Cu2O(100)表面，暴露的表面未飽和配位的原子為單一的O2c；而在CuO/Cu2O(111)表面，表面暴露的未飽和配位的原子為Cu3c和O3c(圖5(A)和(B))。計(jì)算乙烯在兩個(gè)表面上可能的吸附結(jié)構(gòu)，確定CuO/Cu2O(100)上的化學(xué)吸附位點(diǎn)是(O2c，O2c)，而CuO/Cu2O(111)上有兩種化學(xué)吸附的位點(diǎn)，一種是(Cu3c，Cu3c)位點(diǎn)，另一種是(O3c，O3c)位點(diǎn)(圖5(C)-(E))。

圖5 (A，B) CuO/Cu2O(100)和CuO/Cu2O(111)表面上乙烯的吸附位點(diǎn)；(C，D、E) 乙烯在CuO/Cu2O(100)和CuO/Cu2O(111)表面上穩(wěn)定的吸附結(jié)構(gòu)、吸附能(單位：eV)和C＝C鍵長(zhǎng)(單位：?)

乙烯分子在CuO/Cu2O(100)表面上的吸附作用強(qiáng)，吸附能為-6.21 eV，其中，C＝C鍵由原來(lái)的1.338 ?伸長(zhǎng)至1.527 ?。而在CuO/Cu2O(111)表面上，乙烯分子在(Cu3c，Cu3c)和(O3c，O3c)位點(diǎn)上的吸附能分別為-3.11和-2.34 eV，對(duì)應(yīng)的C＝C鍵長(zhǎng)分別為1.459和1.527 ??？梢?jiàn)，CuO/Cu2O(111)表面上，(Cu3c，Cu3c)位點(diǎn)更易吸附乙烯分子，而(O3c，O3c)對(duì)C＝C鍵活化作用更強(qiáng)。比較乙烯分子在兩個(gè)表面的吸附能，發(fā)現(xiàn)乙烯在CuO/Cu2O(100)表面吸附作用明顯比在CuO/Cu2O(111)表面上高。然而，根據(jù)Balandin火山曲線規(guī)律，過(guò)強(qiáng)或者過(guò)弱的吸附強(qiáng)度都會(huì)導(dǎo)致催化劑的催化活性下降，具有適中的吸附強(qiáng)度對(duì)催化反應(yīng)最有利[9]。通過(guò)文獻(xiàn)學(xué)習(xí)可以推測(cè)在氣固催化反應(yīng)中，這個(gè)“適中”的吸附強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的吸附能在-1 - -2 eV[10]。所以，CuO/Cu2O(100)表面對(duì)乙烯的吸附能過(guò)高，可能會(huì)對(duì)反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生抑制作用，而CuO/Cu2O(111)表面上乙烯的吸附能適中，有利于進(jìn)一步反應(yīng)。

2.4 綜合分析

將活性測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與量化計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匯總，見(jiàn)表5?；钚詼y(cè)試實(shí)驗(yàn)顯示，CuO/o-Cu2O對(duì)乙烯氧化反應(yīng)的催化活性比CuO/c-Cu2O要高，通過(guò)轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)計(jì)算得到兩者的表觀活化能差別很大，分別為77.7 ± 3.2 kJ·mol-1和117.0 ± 4.3 kJ·mol-1，說(shuō)明這兩種催化劑表面暴露的活性位點(diǎn)不同，且CuO/o-Cu2O表面的催化活性優(yōu)于CuO/c-Cu2O表面?；诖呋瘎┍砻娴膶?shí)驗(yàn)表征結(jié)果，構(gòu)建催化劑表面結(jié)構(gòu)模型，能清晰直觀地看到CuO/o-Cu2O的活性位點(diǎn)為(Cu3c，Cu3c)或(O3c，O3c)，而CuO/c-Cu2O的活性位點(diǎn)為(O2c，O2c)。相比于CuO/c-Cu2O(100)表面，乙烯分子在CuO/o-Cu2O(111)表面的吸附能比較適中，有利于反應(yīng)的進(jìn)行和產(chǎn)物的脫附[9,10]，從而對(duì)應(yīng)并解釋了活性測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表5 實(shí)驗(yàn)與量化計(jì)算結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中引入量化計(jì)算，不僅是讓學(xué)生掌握一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技能，更是讓學(xué)生具備實(shí)驗(yàn)結(jié)合理論、宏觀聯(lián)系微觀的思維方式。然而，合理地將量化計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)是分析的重點(diǎn)與難點(diǎn)。尤其對(duì)于多相催化這種復(fù)雜的反應(yīng)體系，由于量子化學(xué)計(jì)算的一些局限性，一般的計(jì)算結(jié)果只能部分反映體系的真實(shí)狀態(tài)。因此通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出一個(gè)恰當(dāng)?shù)慕忉屖且粋€(gè)充滿挑戰(zhàn)的過(guò)程，往往需要查閱相關(guān)資料并結(jié)合體系自身的特點(diǎn)進(jìn)行大量的討論，而通過(guò)這一步的練習(xí)，充分鍛煉了學(xué)生針對(duì)問(wèn)題查閱文獻(xiàn)、討論思辨的能力，讓學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中加深對(duì)催化劑結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的理解。

3 結(jié)語(yǔ)

催化劑的催化性能與其表面結(jié)構(gòu)息息相關(guān)?；诳蒲泄ぷ髡咛岢龅哪Ｐ痛呋砟?，實(shí)驗(yàn)結(jié)合量化計(jì)算對(duì)表面催化過(guò)程進(jìn)行研究，已成為研究催化劑表面科學(xué)的一種新方法。教學(xué)組將這一學(xué)科前沿研究方法引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，填補(bǔ)了催化劑表面結(jié)構(gòu)與催化性能關(guān)系相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上的空白。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)嘗試和驗(yàn)證，教學(xué)組選擇理化性能穩(wěn)定，形貌規(guī)整，暴露特定晶面的CuO/Cu2O納米晶作為模型催化劑，選擇綠色安全的乙烯氣體作為反應(yīng)氣，成功地將該體系引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

教學(xué)中采取了實(shí)驗(yàn)與量化計(jì)算相結(jié)合的方式。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生進(jìn)行活性測(cè)試并計(jì)算得到表觀活化能。隨后對(duì)乙烯分子在CuO/c-Cu2O和CuO/o-Cu2O表面吸附的結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化計(jì)算，得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)信息和吸附能。量化計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證，互為解釋，共同構(gòu)建對(duì)催化劑表面結(jié)構(gòu)與催化性能關(guān)系的合理的解釋。通過(guò)對(duì)這個(gè)模型催化體系的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生對(duì)物化教材上的相關(guān)知識(shí)有更深刻的理解，掌握了催化活性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)操作、表面結(jié)構(gòu)模型的搭建方法和量化計(jì)算上機(jī)操作流程，鍛煉了他們的文獻(xiàn)調(diào)研能力，并激發(fā)高年級(jí)本科生的研究興趣、培養(yǎng)綜合實(shí)驗(yàn)技能，為他們能夠順利進(jìn)入研究生學(xué)習(xí)階段奠定良好基礎(chǔ)。