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文献详细Journal detailed

单原子催化剂M_1/FeO_x(M=Pt,Fe)的理论研究:CO氧化反应(英文)
Catalytic ativities of single-atom catalysts for CO oxidation: Pt_1/FeO_x vs. Fe_1/FeO_x

作  者: (梁锦霞); (杨小峰); (许聪俏); (张涛); (李隽);

机构地区: 贵州师范学院贵州省纳米材料模拟与计算重点实验室科学云大数据开发及其产业应用协同创新中心,贵州贵阳550018\清华大学化学系有机光电子与分子工程教育部重点实验室,北京100084

出  处: 《Chinese Journal of Catalysis》 2017年第9期1566-1573,共8页

摘  要: 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)Pt_1/FeO_x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Fe_1/FeO_x,Au_1/FeO_x和Ni_1/FeO_x催化CO氧化反应表现出不同的活性.然而,底物FeO_x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Fe Ox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/Fe O_x相比于底物Fe O_x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� An FeOx‐based Pt single‐atom catalyst(SAC),Pt1/FeOx,has stimulated significant recent interest owing to its extraordinary activity toward CO oxidation.The concept of SAC has also been successfully extended to other FeOx supported transition metal systems both experimentally and theoretically.However,the FeOx substrate itself(denoted by Fe1/FeOx following the same nomenclature of Pt1/FeOx)as a typical transition metal oxide possesses a very low catalytic activity toward CO oxidation,although it can be viewed as Fe1/FeOx SAC.Here,to understand the catalytic mechanism of FeOx‐based SACs for CO oxidation,we have performed density functional theory calculations on Pt1/FeOx and Fe1/FeOx for CO oxidation to address the differences between these two SACs in terms of the catalytic mechanism of CO oxidation and the chemical behavior of the catalysts.Our calculation results indicated that the catalytic cycle of Fe1/FeOx is much more difficult to accomplish than that of SAC Pt1/FeOx because of a high activation barrier(1.09eV)for regeneration of the oxygen vacancy formed when the second CO2molecule desorbs from the surface.Moreover,density of states and Bader charge analysis revealed differences in the catalytic performance for CO oxidation by the SACs Fe1/FeOx and Pt1/FeOx.This work provides insights into the fundamental interactions between the single‐atom Pt1and FeOx substrate,and the exceptional catalytic performance of this system for CO oxidation.

关 键 词: 单原子催化剂 氧化铁载体 密度泛函理论 非均相催化 一氧化碳氧化

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