碳材料表面穩(wěn)定單原子催化劑的形成機(jī)理
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負(fù)載型單原子催化劑因其超高的金屬原子利用率和新奇的催化特性，在加氫、一氧化碳氧化、甲烷氧化、氧還原等反應(yīng)中均表現(xiàn)出優(yōu)異的活性和選擇性。但單原子容易發(fā)生團(tuán)聚而使其催化活性降低，因此獲得穩(wěn)定的單原子催化劑成為當(dāng)前催化領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。盡管負(fù)載型單原子的制備和實(shí)現(xiàn)方面近期取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，但是單原子的形成機(jī)理以及影響單原子形成因素等問(wèn)題的探究尚不足。
為此，馬里蘭大學(xué)李騰教授與西安交通大學(xué)申勝平教授合作，利用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了碳材料表面的納米金顆粒在高溫下向單原子演化的過(guò)程。這項(xiàng)研究考慮了碳表面的空位濃度對(duì)單原子形成的影響，并由此首次揭示了高溫下Au-NP在缺陷碳表面轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的Au-SAs陣列現(xiàn)象的原子尺度機(jī)制，而且進(jìn)一步考察了單原子在高溫下的熱穩(wěn)定性和催化性能。
該研究發(fā)現(xiàn)，碳材料表面的空位使碳原子的懸掛鍵與金原子形成共價(jià)鍵，而增加碳材料表面的空位能夠促進(jìn)單原子的完全分散。這種原子尺度的轉(zhuǎn)換機(jī)制具有Au-SA從Au-NP分解的低能壘和高Au-C結(jié)合能，從而穩(wěn)定所得的Au-SA特征。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)，金單原子催化甲烷氧化的效率可以高達(dá)金納米顆粒催化效率的4倍。該轉(zhuǎn)化機(jī)制為了解在缺陷碳納米纖維上穩(wěn)定形成Au-SA的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供了重要啟示。
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論文鏈接：Stabilizing mechanism of single-atom catalysts on a defective carbon surface
注：本文轉(zhuǎn)載自Nature自然科研。
