单原子Zn-N_(x)/C(x=0~4)催化剂活化O_(2)的理论研究

在GGA-PBE/DNP的理论水平下,构建了Zn单原子和氮原子共掺杂单空位(SG)和双空位(DG)石墨烯催化剂模型,分别记作Zn-N_(x)/SG(x=0~3)和Zn-N/DG(x=0~4)。对于Zn-N_(x)/SG或Zn-N_(x)/DG,随着N原子的增加,其稳定性依次升高。研究了在不同含氮配位环境的Zn-N_(x)/SG和Zn-N_(x)/DG对吸附和活化O_(2)的影响。单空位掺杂的Zn-N_(x)/SG活化O_(2)的程度均强于双空位掺杂的Zn-N_(x)/DG。对于Zn-N_(x)/SG或Zn-N_(x)/DG,随着N原子的逐渐增加,Zn位点的正电荷逐渐增加,d带中心与费米能级的能级差逐渐减小,活化氧气的能力逐渐增强。其中,Zn-N_(3)/SG表现出最强的活化O_(2)的能力。

单原子Ru_(1)-N_(x)/C(x=3,4)催化剂活化H_(2)、H_(2)O和CH_(3)OH的理论研究

在GGA-PBE/DNP水平下,构建了两种氮掺杂石墨烯负载Ru单原子催化剂,记作Ru_(1)-N_(x)/C(x=3,4)。在热力学上,Ru_(1)-N_(4)/C比Ru_(1)-N_(3)/C更稳定。研究了Ru_(1)-N_(x)/C(x=3,4)对H_(2)、H_(2)O和CH_(3)OH的活化性能。H_(2)、H_(2)O和CH_(3)OH在Ru_(1)-N_(3)/C上的化学吸附比在Ru_(1)-N_(4)/C上的化学吸附更强。同时,在实验温度下,它们在Ru_(1)-N_(x)/C(x=3,4)上的解离均为吸能反应。在动力学上,Ru_(1)-N_(4)/C活化解离H_(2)、H_(2)O和CH_(3)OH的能力均强于Ru_(1)-N_(3)/C。在水溶液中,两种催化剂对H2的活化较H_(2)O更强。在甲醇溶液中,Ru_(1)-N_(3)/C对CH_(3)OH的活化强于对H_(2)的活化;Ru_(1)-N_(4)/C对H_(2)的活化强于对CH_(3)OH的活化。