钙对焦炭非均相还原NO的微观作用机理:DFT研究

基于密度泛函理论、结合电子结构分析和Mayer键级变化研究了钙对焦炭非均相还原NO的微观作用机理。对焦炭模型进行电子定域化函数和静电势极值点分析发现,焦炭边缘未饱和的碳原子周边表现出高的电子定域性,体系静电势最小值为-101.1 k J/mol,边缘碳活性位存在孤对电子。钙的添加可促进第一个NO分子在焦炭边缘的吸附,但对第二个NO分子的吸附影响不大。钙的添加不改变NO在焦炭边缘的非均相还原反应路径,但可将决速步的活化能由124.4 k J/mol降至91.9 k J/mol。动力学分析发现添加钙后,非均相还原反应的指前因子增大,焦炭边缘的活化位点增多,有利于加快NO非均相还原反应的进行。     

S掺杂Fe-NC单原子催化剂氧还原机理研究

杂原子掺杂的Fe-NC催化剂在氧还原反应中表现出优异的性能.本工作采用密度泛函理论研究了S原子掺杂对Fe-NC单原子催化剂电子结构的调控及促进氧还原反应的作用机理,分析了硫原子掺杂后Fe-NC催化剂的稳定构型, S原子对FeN4活性位点电子结构的调控,以及氧气的吸附和氧还原反应作用机理.研究结果表明,在FeN4活性位点周围掺杂少量S原子,可以提高催化剂的稳定性. S原子掺杂提高氧还原性能的机理为:(1) S原子的掺杂降低了催化剂的带隙,提高催化剂导电性,有利于电催化氧还原反应;(2) S原子的掺杂可以提高催化剂吸附氧气的能力,有利于氧还原反应;(3)体系中引入四个S原子可以降低氧还原反应的过电位,提高FeN4位点催化氧还原反应的活性.这项工作可能为基于碳材料的单原子催化剂上杂原子掺杂的调控提供新的思路.     

V2CO2 MXene负载过渡金属单原子催化剂氧还原和氢氧化活性的DFT研究

开发廉价且高性能的电催化剂对推动燃料电池的商业应用具有重要意义.二维(2D) MXenes和单原子(SAs)催化剂是催化研究中的两个前沿领域.2D MXenes材料具有独特的几何和电子结构,能够有效调节负载SAs的催化性能.而负载的SAs又会反过来影响2D MXenes材料的本征活性,使2D MXenes形成更加丰富的活性位,进而提升其催化性能.为了拓展2D负载SAs催化剂在燃料电池中的应用,本文采用密度泛函理论(DFT)计算,系统地研究了V2CO2 MXenes负载过渡金属(TM,包括一系列3d、部分4d和5d金属)SAs催化剂的稳定结构、电子结构及其催化氧还原(ORR)和氢氧化(HOR)的催化活性,并筛选出潜在的可替代贵金属铂的ORR/HOR的双功能催化剂.稳定结构计算结果表明,3d TM SAs倾向于以锚定的形式负载于V2CO2表面与O原子作用,而4d,5d TM原子倾向于以掺杂的形式负载于含氧空穴的V2CO2表面与V原子作用;同时,Sc,Ti,V,Rh,Pd,Pt,Ag和Au SAs在V2CO2表面因具有较高扩散能垒,不易团聚,具有较高的热力学稳定性.电子结构计算结果表明,锚定型的TM SAs与O形成共价键,伴随发生明显的电荷转移,带较多正电荷;掺杂型的TM SAs与V形成金属键,因TM-V和V-O键间电荷转移的协同影响,导致TM SAs仅带有少量的电荷.TM-V2CO2电子结构与ORR/HOR中间物种的吸附关系为,TM位点为ORR中间物种(O,OH和OOH)的吸附位点,且d电子数为1、5、10的TM比其他TM对ORR物种的吸附更弱;而TM-V2CO2表面的O原子为HOR中间物种(H)的有效吸附位点,且H的吸附强弱与O位点的电荷有关,即O位点负电荷越多,对H的吸附越弱.TM-V2CO2催化剂各活性位对ORR和HOR反应物种的选择性吸附结果表明,催化剂有利于形成丰富多样的活性位,并具备作为双功能催化剂的内在优势.TM-V2CO2催化剂ORR和HOR理论活性筛选发现:与Pt(111)相比,Sc-、Mn-、Rh-和Pt-V2CO2具有较高的ORR活性,而Sc-、Ti-、V-、Cr-和Mn-V2CO2表现出较高的HOR活性.其中,Sc-V2CO2和Mn-V2CO2因同时具有较高的ORR和HOR活性和稳定性,有望成为高效和低成本的燃料电池双功能催化剂.本文从研究TM-V2CO2性质和活性出发,深入研究了SAs与2D MXenes间相互作用及其对ORR与HOR催化活性的影响机制,筛选出了高效、低成本的ORR/HOR双功能催化剂,为合理设计燃料电池双功能催化剂提供了理论指导.     

钠对焦炭非均相还原NO的微观作用机理

基于密度泛函理论研究了钠对焦炭非均相还原NO的微观作用机理。计算结果表明,Na原子可以在焦炭边缘游离,最倾向于吸附在焦炭边缘穴位,释放出174.2 kJ/mol的能量。波函数分析显示,Na原子以强静电吸引的方式与边缘碳原子结合,电子由Na转移到焦炭上。NO以O临近Na原子的方式吸附在焦炭边缘最稳定。Na促进第一个NO分子的吸附,但对第二个NO分子的吸附影响不大。内禀反应坐标计算与Mayer键级分析表明非均相还原通道中Na与O之间经历"结合-分离",通过"氧化-还原"的方式影响反应的进行。N₂分子的化学解吸附步是非均相还原的速控步。采用正则变分过渡态理论进行动力学分析,发现Na对速控步的活化能影响不大,但会增加焦炭上活性位点的数量,加快反应的进行。     

MXene负载的非贵金属单原子催化剂催化CO氧化反应（英文）

单原子催化剂是一类新型的环境友好催化材料,在能源有效利用和环境保护中发挥着至关重要的作用.发展廉价高效的贵金属催化剂具有十分重要的科学意义和实用价值.近年来,非贵金属部分或者全部取代贵金属的研究也备受关注,成为催化领域的研究热点之一.MXene是由MAX相刻蚀得到的新型类石墨烯结构.MAX相的分子式为M_n+1AX_n(n=1,2,3),其中M代表前过渡金属,A代表主族元素,X代表C和/或N元素.由于M-X具有较强的化学键能,A具有较活泼的化学活性,因此,可以通过选择性刻蚀作用将A从MAX相中移除,从而得到类石墨烯的2D结构一MXene.各类MXenes二维材料因具有广泛的应用价值和较好的物理化学性能而引起了人们的广泛关注,尤其在单原子催化方面,MXenes表现出巨大的应用潜力.本文选取氧功能化的Ti₂C (Ti₂CO₂) MXene二维材料为载体,系统研究了其负载的金属单原子催化剂(SACs)的稳定性和催化活性.通过筛选周期表第8-11族过渡金属M₁/Ti<...     

MXene负载3d金属单原子高效氮还原电催化剂的理论筛选（英文）

氨是现代农业和工业不可缺少的化工原料,传统的Haber-Bosch合成氨生产工艺需要高温(～400℃)和高压(约10-15MPa)等苛刻条件,从而导致大量的CO₂排放和全球年1%-2%的能源消耗.因此,开发低温/低压和环境友好的新型合成氨催化剂对于可持续发展是非常重要的.近年来,单原子催化剂(SAC)作为一类新型的环境友好的催化材料在能源有效利用和环境保护中发挥了重要作用.MXenes是一类新型过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物二维纳米材料,因其具有类金属的导电性、亲水性、良好的柔性、可调节的多原子类型和原子层厚度以及表面端基修饰等物理化学特性,是较好的负载单原子催化剂的载体.MXenes负载的金属单原子催化剂(SAC)因其具有高稳定性、独特的电子结构和最高的原子利用率而成为潜在的低成本、高效环保的合成氨电催化剂.本文基于密度泛函理论(DFT)计算,系统研究了Ti₂CO₂的Ti缺陷位点被3d过渡金属M (Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu和Zn)原子占据所形成的SAC(记为M₁@Ti<...     

二氧化钛负载单原子催化剂用于光催化反应的研究

Titania (TiO₂) has been among the most widely investigated and used metal oxides over the past years, as it has various functional applications. Extensive research into TiO₂ and industrial interest in this material have been triggered by its high abundance, excellent corrosion resistance, and low cost. To improve the activity of TiO₂ in heterogeneous catalytic reactions, noble metals are used to accelerate the reactions. However, in the case of nanoparticles supported on TiO₂, the active sites are usually limited to the peripheral sites of the noble metal particles or at the interface between the particle and the support. Thus, highly dispersed single metal atoms are desired for the effective utilization of precious noble metals. The study of oxide-supported isolated atoms, the so-called single-atom catalysts (SACs), was pioneered by Zhang's group. The high dispersion of precious noble metals results helps reduce the cost associated with catalyst preparation. Because of the presence of active centers as single atoms, the deactivation of metal atoms during the reaction, e.g., by coking for large agglomerates, is retarded. The unique coordination environment of the noble metal center provides special sites for the reaction, consequently increasing the selectivity of the reaction, including the enantioselectivity and stereoselectivity. Hence, supported SACs can bridge homogenous and heterogeneous reactions in solution as they provide selective reaction sites and are recyclable. Moreover, owing to the high site homogeneity of the isolated metal atoms, SACs are ideal models for establishing the structure-activity relationships. The present review provides an overview of recent works on the synthesis, characterization, and photocatalytic applications of SACs (Pt₁, Pd₁, Ir₁, Rh₁, Cu₁, Ru₁) supported on TiO₂. The preparation of single atoms on TiO₂ includes the creation of surface defective sites, surface modification, stabilization by high-temperature shockwave treatment, and metal-ligand self-assembly. Conventional characterization methods are categorized as microscopic imaging and spectroscopic methods, such as aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (STEM), scanning tunneling microscopy (STM), extended X-ray absorption fine structure analysis (EXAFS), and diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS). We attempted to address the critical factors that lead to the stabilization of single-metal atoms on TiO₂, and elucidate the mechanism underlying the photocatalytic hydrogen evolution and CO₂ reduction. Although many fascinating applications of TiO₂-supported SACs in photocatalysis could only be addressed superficially and in a referencing manner, we hope to provide interested readers with guidelines based on the wide literature, and more specifically, to provide a comprehensive overview of TiO₂-supported SACs.     

原子层沉积技术制备单原子催化剂

贵金属单原子催化剂因具有独特的催化性能和高的利用率而迅速引人关注.原子层沉积(ALD)逐渐成为大批量合成稳定单原子的有力工具.本文总结了采用ALD合成单原子的最新进展,以及未来的研究方向和趋势.     

单原子催化剂活化氢气:Pt1/WOx催化氢解反应（英文）

单原子催化剂具有独特的结构位点,能最大化利用贵金属原子,在一系列化学转化反应中具有优异的活性和选择性.但单原子的稳定性是单原子催化剂应用的一个挑战,特别是还原气氛下单原子的稳定性,这极大地限制了单原子催化剂在加氢、脱氢和氢解反应中的应用.理解还原气氛下单原子的稳定机制和单原子催化剂活化氢气的反应机理对于扩大单原子催化剂的应用非常重要.Pt/WOx(2Pd>Au.氢气能在Pd和WOx界面非均相解离,而Au/WOx不能活化、解离氢气.我们进一步采用实验表征验证了DFT理论计算的结果.实验合成了WOx负载的Pt、Pd、Au三种催化剂,X射线衍射(XRD)和透射电子显微镜(TEM)结果表明,Pt能在WOx表面原子级分散和稳定,而Pd在WOx表面形成较小的纳米颗粒,Au形成较大的纳米颗粒.采用氢气化学吸附研究了三种催化剂对氢气的活化能力,结果表明三种催化剂的氢气活化能力顺序为Pt/WOx(137μmol/g-Pt)>Pd/WOx(43μmol/g-Pd)>>Au/WOx(4μmol/g-Au).将三种催化剂用于甘油选择性氢解制备1,3-丙二醇的反应中,只有Pt/WOx催化剂对甘油氢解具有优异的活性和选择性.从而实验证实了氢气气氛下原位产生的Bronsted酸具有关键作用和Pt1/WOx催化剂具有双功能催化性质.我们的研究不仅解释了还原气氛下金属单原子在氧化物表面的稳定机理,而且对单原子催化剂活化解离氢气提供了新的认识.     

硅胶负载型二茂铬催化剂乙烯聚合机理研究

硅胶负载二茂铬是一种无需烷基铝助催化剂的传统工业用乙烯聚合催化剂,但是目前其引发乙烯聚合机理尚不明确.本文通过密度泛函理论方法,基于文献提出的金属环状机理、铬氧环机理以及本文首次提出的铬茂环机理对该催化体系的聚合机理进行了系统研究.结果表明,金属环状机理链引发过程反应能垒较低,约为24.9kcal·mol-1,与实验结...     

基于密度泛函理论下H2S在单原子催化剂V/Ti2CO2上的分解机理研究

In-depth understanding of the mechanisms of hydrogen sulfide (H₂S) adsorption on catalysts during desulfurization from industrial waste gas streams is important for developing effective catalysts to be used in the decomposition of H₂S. In this work, the dissociation behavior of H₂S adsorbed on a single-atom catalyst (Ti or V-decorated Ti₂CO₂ surface) was investigated by performing density functional theory (DFT) calculations. The corresponding diffusion behavior revealed that Ti or V atoms could be dispersed on the Ti₂CO₂ monolayer, without aggregation in the form of single atoms. In addition, analyses of the partial density of states (PDOS), Hirshfeld charges, and electron density difference indicated that the decorated Ti or V atoms led to charge redistribution on the Ti₂CO₂ surface and significantly improved the interaction between the H₂S gas molecules and Ti₂CO₂, thereby enhancing the catalytic activity of V/Ti₂CO₂. In order to gain a deeper understanding of the mechanism of H₂S decomposition (H₂S → HS* + H* → H₂ + S*), a comparative analysis of the results for the decomposition of H₂S on the Ti/Ti₂CO₂ and V/Ti₂CO₂ surfaces was carried out. The catalytic dissociation behavior of H₂S is explained as follows: once H₂S is adsorbed on the V/Ti₂CO₂ or Ti/Ti₂CO₂ surface, it spontaneously dissociates into HS*/H* without any energy barrier on the catalyst surface. Subsequently, the V atoms would not only promote the cleavage of the H-S bond, but also play a major role in the formation of S atoms. Moreover, the rate-limiting step for the entire process proceeded on the Ti/Ti₂CO₂ surface with an energy barrier of 0.86 eV, while that for V/Ti₂CO₂ was 0.28 eV, indicating that the H₂S molecules easily dissociated into S and H₂ on the V/Ti₂CO₂ surface at room temperature. The reaction time for H₂S decomposition on the V/Ti₂CO₂ surface at 500 K was 65.79 ns, which was almost two orders of magnitude higher than that at room temperature. Thus, the decomposition of H₂S on the V-doped Ti₂CO₂ surface is associated very fast kinetics. Furthermore, the S atoms can form elemental sulfur with aggregation on the V/Ti₂CO₂ surface to promote recycling reactions. Compared with previously reported catalytic systems, the single-atom catalyst (SAC) V/Ti₂CO₂ catalyst has greater application prospects in terms of sustainable economy or removal efficiency for H₂S treatment. Our results suggest that V-doped Ti₂CO₂ is an excellent candidate for a highly effective non-noble metal catalyst applicable to H₂S decomposition.      

单原子催化剂M1/FeOx(M=Pt,Fe)的理论研究:CO氧化反应

负载型纳米贵金属催化剂是用于多相催化反应的重要的催化剂之一,也是各国催化科学与技术研发的重点,其工业应用也越来越广泛.理论和实验的研究结果均表明,当载体表面的金属粒子尺寸减小至亚纳米级乃至更小的低配位、不饱和的原子团簇时,它们常常成为诱发催化反应的活性中心,呈现更高的催化活性和选择性.将负载的金属尺寸由纳米量级减小至分散的金属团簇甚至单原子而使每个原子成为反应的活性位点已成为研究的重点.最近,由张涛等首次合成的单原子催化剂(SAC)Pt1/FeOx引起了国内外催化及表面科学工作者的极大关注.单原子催化剂作为连接均相催化剂和多相催化剂的桥梁,不仅具有非均相催化剂的稳定、易于与反应体系分离、易表征等优点,而且具有均相催化剂活性中心结构均一、活性中心原子利用率百分之百等优点.一方面,单原子催化剂给多相催化领域注入了新的活力,另一方面也更有利于运用量子与计算化学的研究方法建立与实验相匹配的理论模型并从原子水平上进一步理解多相催化反应的微观作用机理.实验和理论的研究结果表明,其它单原子催化剂如Ir1/FeOx,Au1/FeOx和Ni1/FeOx催化CO氧化反应表现出不同的活性.然而,底物FeOx中的Fe同样是第VIII族中的3d过渡金属,却在低温下对CO氧化反应没有催化活性.我们围绕这一问题,重点研究了底物FeOx在负载单原子Pt1前后催化CO氧化的反应机理和活性,解释了单原子催化剂Pt1/FeOx相比于底物FeOx为何具有如此高的催化活性的原因.我们采用Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)从头算模拟软件和密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)进行了理论计算.其中,选择PBE泛函描述体系的交换关联相互作用,用投影缀加波(PAW)赝势基组方法描述体系中的电子和离子实之间的相互作用,对Fe原子采用了DFT+U方法进行d电子强相关校正,并使用Dimer计算方法搜寻反应过渡态.研究结果表明,底物FeOx中氧空位的再生伴随第二个CO2分子从催化剂表面脱附的过程需要较高的活化势垒(1.09 eV),这一过程是整个CO氧化反应的决速步.与此相比较,Pt1/FeOx催化剂中,由于Pt原子代替了表面Fe原子,导致电子结构及性质的显著变化,有利于CO的活化、氧化和CO2的脱附.我们从电子能量态密度(DOS)和Bader电荷分析及模型分子团簇的轨道相互作用的角度进一步分析了两种催化剂存在差异的本质;揭示了单原子催化剂Pt1/FeOx中Pt1和底物FeOx之间的相互作用的机理及催化剂表面Pt单原子在催化反应过程中的关键作用.     

铁原子与氮分子间的相互作用——单端位构型

用杂化密度泛函B3LYP方法在6-311+G(d)基组水平上研究了Fe 原子与N2分子相互作用的单端位构型的直线形和弯曲形两种结构的平衡几何结构、电子结构、轨道布局及红外光谱等性质. 计算结果表明, 由于强的σ-σ电子对互斥作用, 基组态4s²3d⁶的Fe原子不能与N2分子发生化学作用; 当Fe 原子呈现可与N2之间发生σ-π授予反馈作用的激发组态时, Fe 与N2分子之间可形成稳定的结构; 在得到的多个电子态中, 能量最低的是直线形的1³∑^-, 比Fe(a⁵D)和N2(¹∑⁺g )能量高21.6 kJ·mol-1, 同时存在几个能量相近的电子态, 如1³∏、1³Φ; 弯曲形都是不稳定态, 可能是连接直线形和单侧双配位构型的过渡态; 单端位构型产物相对于基态的反应物均是热力学不稳定的; 单端位构型中Fe对N2的活化作用很小, N—N 键长增加不超过7 pm.     

石墨炔原子催化剂的崭新道路:基于自验证机器学习方法的筛选策略

近年来, 原子催化剂(ACs)引起了广泛的研究关注. 目前该领域的长足发展受限于贵金属的使用和单原子催化剂(SACs)的性能有限. 本文总结了利用密度泛函理论(DFT)和机器学习(ML)方法筛选高效的基于石墨炔(GDY)的原子催化剂的工作. 研究表明, Pd, Co, Pt和Hg可以形成稳定的零价过渡金属-石墨炔组合(TM-GDY), 而镧系-过渡金属的双原子催化剂(Ln-TM DAC)组合通过f-d轨道耦合作用可以获得有效的催化性能提升. 进一步分析表明, 主族元素与过渡金属和镧系金属的结合可以通过p轨道耦合保持高电活性, 从而构成高度稳定的GDY-DAC系统, 机器学习算法也揭示了s,p轨道的作用. 此外, 理论算法技术在筛选催化水分解析氢反应(HER)的高效组合上也表现出了优越性, 创新性地预测了石墨炔-原子催化剂在实际催化反应中的潜能. 本综合评述可为未来设计新型原子催化剂提供新的思路与策略.     

单原子催化剂电催化还原二氧化碳研究进展

电催化CO₂还原能够在常温常压下利用电能将CO₂转化为含碳清洁能源,具有很好的应用前景。 但其应用仍受缓慢的阴极催化剂限制。众所周知,催化剂的尺寸对其活性有很大的影响,将金属催化剂减少到纳米颗粒级别,能够显著提升其暴露的活性位点数和本征活性,从而提升其催化性能。在这一思路下,如果将催化剂的尺寸降低到单原子分散级别,催化剂的活性能够得到明显提升。近几年,由于单原子分散催化剂具有特殊的微观几何结构和电子态,已经成为电催化还原CO₂领域的研究热点。在本综述中,对单原子分散催化剂在电催化还原CO₂方面的研究进行了总结和回顾,并对未来单原子分散催化剂在电催化还原CO₂领域的难点问题和进一步研究方向进行了分析和讨论。     

铁原子与氮分子间的相互作用——单侧双配位构型

用密度泛函理论的B3LYP/6-311+G(d)方法对单侧双配位FeN2体系(简记为S-FeN2)不同自旋多重度的稳定态、范德华力作用态和过渡态的多个电子态的几何结构、电子结构、能量和振动频率进行了计算比较研究. 结果表明, S-FeN2体系三种自旋态间, Fe—N 距离R1和N—N 距离R2值均比较接近; 能量最低的是15B2态, 相近态有15B1、13B1和13B2, 彼此能差约25 kJ·mol-1. 三重态电子结构复杂, 单重态能量普遍偏高; 基组态Fe原子与N2间存在强的σ-π电子对排斥而无有效轨道重叠和电子转移, 其它组态4s13d7、4s13d64p1和3d74p1, Fe 和N2间发生σ(sd)-π和π-π*轨道重叠作用, 有少量电子转移, 体系呈现一定的离子性特征, 活化N2键长基本不超过120 pm. Fe 原子的电子单或双重被激发到由N2反键轨道为主要成分的分子轨道上时, 能使N2活化到单键程度甚至解离.     

单原子催化剂在氧还原反应中的分子级调控

氧还原反应(ORR)在电化学能量存储和转换系统以及精细化学制剂的清洁合成中发挥着重要作用. 然而, ORR过程的动力学极其缓慢, 需要使用铂族贵金属催化剂加快其反应动力学速率. 铂基催化剂的高成本严重阻碍了其大规模的商业化. 由于单原子催化剂(SACs)具有结构明确、 本征活性高和原子效率高的特点, 有望取代昂贵的铂族贵金属催化剂. 迄今, 在进一步提高SACs的ORR活性方面已有大量的研究报道, 包括定制金属中心的配位结构、 丰富金属中心的浓度以及设计衬底的电子结构和孔隙率等. 本文综合评述了近年来SACs在ORR性能以及与ORR相关的H₂O₂生产、 金属-空气电池和低温燃料电池等方面的应用研究进展. 总结了通过引入其它金属或配体来调整孤立金属中心的配位结构、 通过增加金属负载来增加单原子位点的浓度以及通过优化载体的孔隙度来优化催化性能和电子传输等方面的研究进展, 并对SCAs的未来发展方向和面临的挑战提出了展望.