氧化锌-钯结构示意图
在碳氢化合物的水蒸气重整和水煤气变换(WGS)等众多催化过程中, 水在催化剂表面上的吸附和解离是一个重要的基元反应, 如何有效地活化水, 从而提高反应性能, 显得尤为重要. 人们利用表面科学实验以及理论计算对过渡金属以及氧化物表面上水的吸附及解离进行了广泛的研究. Phatak等的研究表明, 水在Cu, Au, Ni,Pd, Pt等过渡金属表面上的吸附很弱, 解离也比较困难; 最近Cu(111)上WGS反应的理论计算进一步表明, 水的活化是该反应的决速步. 但是, 水的解离活性在金属/氧化物界面处可显著提高, 从而促进了反应的进行. 另一方面, 氧化物的催化活性可通过掺杂过渡金属而得以提高.Mayernick等发现, Pd掺杂的CeO2催化甲烷脱氢活性很高, 因为Pd的掺杂能够提高CeO2晶格氧的活性. Pala等发现, 通过掺杂不同的金属可有效调控甲醇在ZnO上的吸附及解离.
中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室李微雪小组采用密度泛函理论计算研究了清洁的以及Pd掺杂的ZnO(1120)面上水分子的吸附和解离. 结果表明, 在清洁 ZnO(1120)上, 水分子倾向于分子吸附, 解离吸附较为困难. 在Pd掺杂的ZnO上, 水分子仍倾向吸附在Zn原子上, 且吸附能与其在清洁ZnO表面的相当. 然而, Pd的掺杂可增强水解离产物OH和H的吸附, 从而显著提高了水的解离活性, 相应的水解离能垒为0.36eV, 放热 0.21 eV.