Ni/MgO协同催化CO2加氢反应机理的理论计算研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

一、研究背景：

随着社会的发展，环境受到污染破坏问题和能源问题愈发严重，然而，由于燃烧化石燃料供能，数万吨人为二氧化碳仍将持续排放到地球大气中，致使二氧化碳的排放量急剧增加。二氧化碳（co₂）是温室气体排放到地球大气层的主要组成部分之一，大气中温室气体的增加会增强辐射效应，造成地表温度升高、冰川融化和海平面上升，对农业、水资源以及人类健康、气候变化和海洋酸化产生了负面影响^[1,2]。二氧化碳占温室气体总量的 82%，是造成全球变暖的主要原因，考虑到二氧化碳排放对全球气候变化的负面影响，如果不对气候变化采取全球行动，到2050年气温可能会上升超过2℃，到2100年超过4℃，到为了避免这种结果，科学家指出，到2050年，全球温室气体排放量需要比1990年至少减少50%。主要的二氧化碳排放国已承诺在不久的将来大幅削减二氧化碳排放量，以将气温上升限制在比工业化前水平高1.5℃。在这种情况下，大气二氧化碳排放的速度预计在未来会减慢。

二氧化碳催化加氢制甲烷被认为是将二氧化碳转化为有用的低碳燃料和减少二氧化碳排放的一种有前途的解决方案，这些方案在能源和环境方面有着重要的应用^[3-12]。一般来说，根据co₂初始加氢反应，其机理可分为三种典型途径：（i）co₂直接分解为co*（co₂直接分解途径），（ii）co₂c末端加氢反应生成hcoo*物种（甲酸盐途径）和（iii）co₂o末端加氢反应生成cooh*物种（羧基途径）^[11,16,17]无论co₂的甲烷化途径如何，co₂和h₂的吸附和活化都是反应的初始和关键步骤考虑到co₂的热力学稳定性和裂解co键的高势垒，有效的co₂活化被认为是提高co₂转化反应动力学的关键步骤。毫无疑问，这需要基于对二氧化碳活化机理和反应途径的理解，合理设计有前途的催化剂。co₂甲烷化的主要催化剂是氧载体金属催化剂，其中viii族b族金属为活性组分，金属氧化物为载体。其中，氧化铝、sio₂、tio₂、ceo₂、mgo、zro₂等多种氧化物负载的ni催化剂因其高活性、低成本而受到广泛关注。^{[3,9，12~14]}

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

2.1 主要研究内容

本课题工作主要是在密度泛函理论基础上,通过理论计算研究ni/mgo复合型催化剂的微观几何结构、电子结构、电荷分布、电子能谱及催化性能。进一步研究co₂，h₂和甲烷及关键中间体在ni/mgo催化衬底上的吸附作用。系统研究ni/mgo复合型催化剂的催化活性位点及不同活性位点的调控机制，且进一步阐明ni/mgo复合型催化剂的结构-活性之间的相关协同效应。从而为基于ni/mgo复合型催化剂的设计和研发提供一定的理论依据和指导。并研究此复合型催化剂在不同温度、压力下对二氧化碳转化率的影响和甲烷选择性的影响。深入了解了ni和mgo在反应机理中的作用和载体效应。

具体研究内容如下：