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       汽車尾氣和化石燃料燃燒產(chǎn)生的有害一氧化碳(CO)氣體嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境和人體健康，盡管低溫催化燃燒可以有效解決這一問題。本文提出了一種用于CO低溫催化燃燒的Fe和N共摻雜雙空位石墨烯催化劑(Fe- CxNy)，并利用密度泛函理論(DFT)系統(tǒng)地研究了CO在催化劑上催化燃燒反應(yīng)的機(jī)理。比較了Eley-Rideal (ER1和ER2)、Langmuir-Hinshelwood (LH)和Termolecular Eley-Rideal (TER)四種氧化機(jī)制的氧化途徑和能量分布。結(jié)果表明，F(xiàn)eCxNy催化劑具有良好的催化活性。以LH反應(yīng)機(jī)理為主的Fe-CN₃催化劑對(duì)CO的催化燃燒性能最好，僅為0.20 eV，可與貴金屬相媲美。速率常數(shù)計(jì)算進(jìn)一步證明了Fe-CN₃在低溫下具有優(yōu)異的催化性能。本工作不僅為CO低溫催化燃燒催化劑的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了理論依據(jù)，而且為CO燃燒反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型的建立提供了數(shù)據(jù)支持。
 
圖1. Fe-CN₃的電荷差密度圖(a)和相應(yīng)的態(tài)密度(b)。
 
圖2. (a) Fe-C₃N， (b) Fe-C₂N₂， (c) Fe-CN₃和(d) Fe-N₄催化劑在AIMD模擬中1000 K和1 fs。時(shí)間間隔下的能量變化。
 
圖3. O₂在Fe-CN₃ (a)、Fe-N₄(c)的俯視圖和側(cè)視圖和左側(cè)的PDOS。CO在Fe-CN₃ (b)、Fe-N₄(d)的俯視圖和側(cè)視圖和左側(cè)的PDOS。棕色、金色、白色和紅色分別代表C、Fe、N和O。
 
圖4. CO在(a) Fe-C₃N、(b) Fe-C₂N₂、(c) Fe-CN₃和(d) Fe-N₄上的ER1機(jī)理反應(yīng)途徑和能量分布。
 
圖5. CO通過ER2機(jī)制在(b) Fe-C₂N₂和(c) Fe-CN₃上的能量分布(a)和反應(yīng)途徑。
 
圖6. (a) Fe-CN₃、Fe-C₂N₂和Fe-CN₃中的能量分布;(b) CO通過LH機(jī)制在Fe-CN₃中的反應(yīng)途徑。
 
圖7. (a) CO通過TER機(jī)制在Fe-CN₃中的反應(yīng)途徑;(b) Fe-CxNy中的能量分布。
 
圖8. 不同機(jī)制下在Fe-C₃N (a)、Fe-C₂N₂ (b)、Fe-CN₃ (c)和Fe-N₄ (d)上的CO氧化速率常數(shù)。主反應(yīng)速率常數(shù)單位為s^-1，次反應(yīng)速率常數(shù)單位為cm³melecule^-1 s^-1。

相關(guān)研究成果由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室Chunlan Qin等人于2023年發(fā)表在Molecular Catalysis (https://doi.org/10.1016/j.mcat.2023.113103 )上。原文：Theoretical study on the reaction kinetics of CO oxidation by nitrogen-doped graphene catalysts with different ligand structures。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)