C_(24)N_(24)负载Sc单原子催化剂催化甲烷氧化为甲醇的理论计算

甲醇是一种很有前途的清洁能源,有望替代不可再生的石油能源.因此,将储量巨大,但不易运输的甲烷氧化为甲醇具有十分重要的意义.首先通过密度泛函理论(density functional theory,DFT)计算研究了Sc原子与C_(24)N_(24)之间的稳定性.结果表明,Sc原子与C_(24)N_(24)的结合能(-9.064 eV)小于Sc原子的内聚能(-4.518 eV),即Sc@C_(24)N_(24)具有良好的稳定性.在此基础上,进一步研究了甲烷在Sc@C_(24)N_(24)表面催化氧化制备甲醇的工艺过程,以N_(2)O为氧化剂在Sc@C_(24)N_(24)单原子上进行甲醇的催化氧化反应.结果表明:N_(2)O首先吸附在Sc@C_(24)N_(24)上,然后直接分解为N_(2)和O ads.N_(2)被释放,只有O ads被吸附于Sc@C_(24)N_(24)作为活性氧,用于后续催化甲烷氧化制甲醇过程.甲烷的氧化过程包括两个步骤:(1)CH_(4)+O ads→CH_(3)*+OH*,反应势垒为0.43 eV;)CH_(3)*+OH*→CH_(3)OH,反应势垒为0.63 eV.最后,生成的CH_(3)OH分子将离开Sc@C_(24)N_(24)单原子催化剂表面,这一步所需的能量分别为1.29 eV.这些发现为甲醇的催化氧化反应提供了理论指导,Sc@C_(24)N_(24)有望成为催化甲烷制备甲醇的高效单原子催化剂.