揭示 Ti/g-C3N4 通过硝酸盐还原电催化生产氨的活性和选择性的起源:第一性原理研究

2024-12-25 21:03   黑龙江  

文献信息

主要内容

这篇文章是关于通过第一性原理研究钛基单原子催化剂在石墨相氮化碳(g-C3N4)上对硝酸盐还原反应(NO3RR)催化性能的研究,旨在揭示其活性和选择性的起源。以下是文章的核心内容:


1. **背景与目的**:

- 硝酸盐还原反应(NO3RR)被认为是解决全球氮循环失衡的可行方案。

- 研究探索了过渡金属固定在g-C3N4上的单原子催化剂对NO3RR的催化性能。

- 目标是找到一种新的NO3RR催化剂,用于将硝酸盐还原成氨,以解决水污染问题并生产氨。


2. **研究方法**:

- 使用密度泛函理论(DFT)进行计算。

- 采用剑桥序列总能量包(CASTEP)软件进行自旋极化计算。

- 研究了g-C3N4的2×2×1超胞模型,并考虑了范德华(vdW)相互作用。


3. **结果**:

- 通过初步筛选,发现Ti/g-C3N4具有最低的限制电位(UL=-0.3 V),是NO3RR中最有潜力的单原子催化剂。

- Ti/g-C3N4显示出对NO3RR反应生成氨的选择性,即在反应过程中不产生其他氮化物。

- 分析了Ti/g-C3N4和2Ti/g-C3N4的性质,发现Ti/g-C3N4的大自旋极化对其NO3RR氨生成反应的高活性和选择性有重要贡献。


结论


- Ti/g-C3N4是NO3RR氨生产中最有前景的催化剂之一。

- Ti/g-C3N4的高活性和选择性源于其大的自旋极化。

- 这项工作为设计新的NO3RR催化剂提供了新的思路。

图 1. (a) 过渡金属(TM)的原始模型,固定在 g-C3N4 的 2 * 2 * 1 超晶胞上;(b) TM/g-C3N4 对硝酸根(蓝线)和氢原子(橙线)的吸附能曲线;(c) TM/g-C3N4 对硝酸根的吸附能以 D 带中心的线性曲线;(d) 计算的过渡金属第六步(ΔG6)和第十步(ΔG10)的吉布斯自由能,其中两个理想区域(ΔG6 < 1.0、ΔG10 < 1.0 和 ΔG6 < 0.5、ΔG10 < 0.5)被圈出;(e) TM/g-C3N4 的极限电势;(f)TM/g-C3N4对NO3RR反应的火山图,每条数字线对应其相应的逐步反应的线性拟合曲线。

图2. Ti/g-C3N4 中 NO3RR 反应的吉布斯自由能步骤图。

Fig. 4. Density of states (DOS) of (a) NO3 on Ti/g-C3N4 and (c) NO3 on 2Ti/g-C3N4; Charge density difference of (b) NO3 on Ti/g-C3N4 and (d) NO3 on 2Ti/g-C3N4.


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