Новости

Aug 18, 2023

Теоретическое изучение металла

Научные отчеты, том 12,

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 10439 (2022) Цитировать эту статью

843 Доступа

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Графен, легированный совместно P и N (PNxCy-G с x = 1, 2, 3 и y = 0, 1, 2), предназначен для повышения реакционной способности графена за счет синергетического эффекта атомов P и N для реакции окисления CO. сосредоточив внимание на влиянии концентрации легирующей примеси N на графен. Результаты расчетов показывают, что увеличение двух или трех координированных N до P может облегчить перенос заряда с поверхности на молекулы O2. Однако адсорбированная молекула O2 распадается на поверхности PN3-G, что влияет на эффективность окисления CO. Кроме того, PN2C1-G проявляет превосходную каталитическую активность в отношении окисления CO по механизму ER, который катализирует окисление CO со стадией, определяющей скорость, всего 0,26 эВ для первого и 0,25 эВ для второго окисления при 0 К. Кроме того, каталитическое окисление PN2C1-G по механизму Эли–Ридила предпочитает происходить при комнатной температуре (298,15 К) со скоростью определяющего шага 0,77 эВ. Рассчитанная скорость реакции при 298,15 К составляет 5,36 × 1016 моль/с. Константы скорости получены в соответствии с теорией гармонического переходного состояния, которая может способствовать каталитическому окислению CO в эксперименте.

Оксид углерода (CO) является широко известным загрязнителем воздуха1. Как правило, газ CO образуется в результате процессов сгорания в промышленности, на заводах, а также в результате неполного сгорания в бензиновых и дизельных двигателях. Важно отметить, что когда мы вдыхаем CO, он вызывает опасные последствия, которые вредны для сердца и мозга. Поэтому удаление этого токсичного газа имеет важное значение для экологической безопасности. Превращение CO в диоксид углерода (CO2) является желательным методом гетерогенного катализа. Хотя CO2 является парниковым газом, ответственным за глобальное потепление, он не опасен для здоровья человека.

Каталитическое окисление CO изучалось с целью найти эффективный катализатор для контроля загрязнения2,3. Путь реакции окисления CO включает прямое окисление CO до CO2 кислородом (O2), адсорбированным на поверхности катализатора4. Ранее различные благородные металлы, такие как Pt, Pd, Cu, Fe, Rh и Au, были исследованы для разработки катализатора окисления CO5,6,7. Такие катализаторы очень активны в отношении окисления CO; однако благородные металлы редки и дороги. Более того, эти металлические катализаторы обычно работают при высокой температуре реакции. Таким образом, представляет большой интерес разработка эффективных и недорогих катализаторов для низкотемпературной реакции окисления CO. Безметалловые катализаторы привлекли внимание благодаря своей высокой активности в реакции каталитического окисления.

Различные виды материалов на основе углерода, такие как углеродные нанотрубки и графен, были изучены в поисках безметаллового катализатора окисления CO. Графен представляет собой интересный материал из-за его уникальных свойств, обусловленных двумерной слоистой структурой. sp2-гибридный углерод. Использование sp2-гибридизированных атомов углерода для формирования шестиугольников находится в центре внимания интенсивных исследований из-за их важных физических и химических свойств. В частности, большая площадь поверхности, высокая химическая стабильность и выдающаяся проводимость графена делают его идеальной основой для атомов и кластеров металлов при создании новых углерод-металлических нанокомпозитных катализаторов8,9,10,11,12. Кроме того, вакансионные дефекты на графене могут улучшить связывание и дисперсию как металлов, так и безметалловых катализаторов. Недавние исследования показали, что легирование гетероатомами дефектного графена эффективно изменяет его характеристики и улучшает стабильность в каталитических приложениях. В результате сравнения нанесенных металлических и неметаллических катализаторов металлы носителя указывают на их практичность и высокую активность из-за сильного взаимодействия между металлами. Поддерживающий субстрат изменяет перераспределение заряда и влияет на реакционную способность катализатора13. Однако высокая поверхностная свободная энергия металлов способствует образованию крупных кластеров металлов, и эти агрегаты влияют на каталитическую эффективность катализатора14,15. Следовательно, замещающее легирование атомов, не содержащих металлов, на поверхности графена важно для адаптации электронного распределения графеновой системы и улучшения характеристик катализатора. Кроме того, сообщалось о химически модифицированных графенах с безметалловыми заместителями, такими как B, N, S и P16,17,18. Включение гетероатома неметалла в решетку графена является особенно многообещающим подходом для дальнейшего улучшения каталитической активности. В частности, графен, легированный N, привлекает значительное внимание в теоретических и экспериментальных исследованиях. Графен, легированный N, является катализатором реакций восстановления кислорода (ORR) из недрагоценных металлов. Дополнительные электроны вводятся в графен, придавая ему новые электронные свойства за счет легирования азотом. Ранее Чанг и др.19 продемонстрировали, что графены, совместно легированные BN и PN, проявляют большую каталитическую активность по восстановлению O2, чем однократно легированный N-графен. Кроме того, легирование графена B и P значительно изменяет электрофизические характеристики графена из-за значительной разницы в электроотрицательности между атомами B и N или атомами P и N, и эта разница вызывает неоднородность поверхности графена. Лян и др.20 также сообщили, что графен, легированный совместно P и N, улучшает каталитическую способность восстанавливать O2 за счет синергетического эффекта по сравнению с однократным легированием. Насколько нам известно, не опубликовано никаких отчетов об экспериментальных или теоретических исследованиях каталитической реакции окисления CO с помощью совместно легированных P и N графена с одной вакансией, внедренного P. Однако графен, легированный P и N, был синтезирован и применен для ORR. Эта стратегия совместного легирования позволит безметалловому катализу на основе графена быть эффективным в реакции окисления CO. Целью данного исследования является изучение синергетического эффекта легированных атомов P и N на окисление CO с помощью O2 и выяснение того, как включение атома N вокруг P может улучшить каталитическую активность поверхности, адсорбционную конфигурацию и электронную структуру. над графеном, легированным совместно P и N. Влияние концентрации легирующей примеси N на одиночную вакансию графена с внедренным P в реакции окисления CO. Кроме того, все возможные пути реакции окисления CO исследуются с помощью теории функционала плотности (DFT).