一氧化碳是一种无色无味的气体,熔点205.0°C,沸点191.5 °C。化学性质上,一氧化碳既有还原性,又有氧化性,能发生氧化反应(燃烧反应)、歧化反应等。
按分子轨道理论, CO分子是以三重键结合的(σ π π):一个o键(σ2px), 两个r键(n2py 和2p2),其中- - 个r键为配位键,共用电子对由氧原子提供。由此可见CO既是电子受体(反键n轨道)也是电子供体(σ2px)。 因此CO在与中心原子(M)配位时,co提供σ2px电子与中心原子形成σ配位键,中心原子的电子进入cO的反键n轨道形成反馈r键,反馈r键的形成使M-C键增强,且分散了中心原子上的电荷,使中心原子更为稳定。
由配位信息可知CO有出色的吸附性能,且由前人的研究可知,CO吸附能及C-O振动频率与吸附位点相关。Wang 课题组51发现C 0振动频率与CO键长主要取决于吸附位点,桥式位点吸附中C- -O振动频率为1737- -1927 cm-',键长为1.167-1.204 A;顶式位点吸附中振动频率为2000- -2091 cm-l, 键长为1.151-1.167 A,且与团簇的组成无关。该研究虽然没有直接指出吸附能与C-O振动频率间的关系,但提出C- -O振动频率随CO键长增加而降低。Song 等人发现CO更倾向于吸附在Pt原子而非Au原子.上,且团簇组成影响CO吸附能。
同样的,Striolo 课题组凹指出CO在P13. 上的吸附能为-2.40eV,而在Au13.上吸附能较弱,为- 0.66eV。同时认为在-般情况下,CO吸附能越高会导致C-O振动频率降低。
C-O振动频率可以由实验方法如傅里叶变换红外光谱测得,可根据吸附位点上CO的振动频率及稳定性确定吸附位点原子的价态81。Corma课题组[91指出对于Au/TiO2催化剂,红外上CO吸附峰在2070-2110cm-1范围内为CO在低配位Au°上的吸附,~2120 cm-I处的吸附峰为CO-AuS (金属载体界面处Au- -O -Ti中稍偏正价的Au),2135 cm-1处的吸附峰为CO在与O相互作用的Au5 上的弱吸附,2148 cm-!被指认为CO在高度分散的Au .上的吸附。CO在其他不同价态金属上吸附所产生C-O振动频率的变化也有相应的研究,如Cul10]、 Pl川等,这些对CO吸附红外光谱的研究为催化反应中活性位点的指认提供了依据。
在气固相催化反应中,反应物分子一般需要吸附在催化剂表面,才能进-步发生反应,因此吸附位点大多为活性位点。随着原位红外技术的发展,在异相催化中将CO作为探针分子指认活性位也受到了研究者们的广泛关注。
一氧化碳对环境及工业应用的负面影响
尽管CO吸附性能优异,但也给环境、工业等造成了一些负面影响。由于燃料的不完全燃烧产生的汽车尾气、化工厂废气等,使得环境中不可避免的存在低浓度COlIs,16。 众所周知,当环境中CO浓度过高时,会使人或动物- -氧化碳中毒。这是因为血红蛋白中Fe2 与CO结合的能力远远高于其与O2的结合能力,且即使血红蛋白己与O2结合,CO也会将O2置换,从而使血红蛋白失去运输氧的能力。人类或动物若吸入CO,则会影响血液中O2的传输,减少了进入血液的氧气量,从而导致困倦,反应迟钝,视力和判断力受损,甚至可能会导致人身死亡。
且实验表明人或动物在CO浓度为25ppm中暴露不应超过8小时或50ppm中暴露不应超过4小时,CO 致死浓度约为650- -700 ppm19.20。除CO在环境中的危害以外,在工业应用中也有一些负面影响。
氢燃料电池是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的一一种,能够有效的利用氢能,是- -种清洁、高效的绿色环保电源,被认为是解决未来人类能源危机的方案。但目前H2大多是由烃类及其衍生物制得,所以H2中存在微量的CO是在所难免的1241。而PEMFC中一般用Pt电极,CO与Pt结合既生成配位键也形成反馈r键,使Pt- C键增强,因此CO在Pt电极上的吸附能力很强,且不易脱附11259。氢气中存在少量的CO就会使Pt电极中毒失活,所以PEMFC对氢气的纯度要求很高,-氧化碳浓度需减少到50ppm以下。