碳材料表面穩定單原子催化劑的形成機理|npj Computational Materials |
論文標題:Stabilizing mechanism of single-atom catalysts on a defective carbon surface
期刊:npj Computational Materials
作者:Lianping Wu, Shuling Hu et.al
發表時間:2020/03/19
數字識別碼: 10.1038/s41524-020-0292-y
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負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、氧還原等反應中均表現出優異的活性和選擇性。但單原子容易發生團聚而使其催化活性降低,因此獲得穩定的單原子催化劑成為當前催化領域的重大挑戰。儘管負載型單原子的製備和實現方面近期取得了長足的進展,但是單原子的形成機理以及影響單原子形成因素等問題的探究尚不足。
為此,馬裡蘭大學李騰教授與西安交通大學申勝平教授合作,利用分子動力學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程。這項研究考慮了碳表面的空位濃度對單原子形成的影響,並由此首次揭示了高溫下Au-NP在缺陷碳表面轉變成穩定的Au-SAs陣列現象的原子尺度機制,而且進一步考察了單原子在高溫下的熱穩定性和催化性能。
該研究發現,碳材料表面的空位使碳原子的懸掛鍵與金原子形成共價鍵,而增加碳材料表面的空位能夠促進單原子的完全分散。這種原子尺度的轉換機制具有Au-SA從Au-NP分解的低能壘和高Au-C結合能,從而穩定所得的Au-SA特徵。進一步研究還發現,金單原子催化甲烷氧化的效率可以高達金納米顆粒催化效率的4倍。該轉化機制為了解在缺陷碳納米纖維上穩定形成Au-SA的實驗現象提供了重要啟示。
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摘要:Single-atom (SA) catalysts represent the ultimate limit of atom use efficiency for catalysis. Promising experimental progress in synthesizing SA catalysts aside, the atomic-scale transformation mechanism from metal nanoparticles (NPs) to metal SAs and the stabilization mechanism of SA catalysts at high temperature remain elusive. Through systematic molecular dynamics simulations, for the first time, we reveal the atomic-scale mechanisms associated with the transformation of a metal NP into an array of stable SAs on a defective carbon surface at a high temperature, using Au as a model material. Simulations reveal the pivotal role of defects in the carbon surface in trapping and stabilizing the Au-SAs at high temperatures, which well explain previous experimental observations. Furthermore, reactive simulations demonstrate that the thermally stable Au-SAs exhibit much better catalyst activity than Au-NPs for the methane oxidation at high temperatures, in which the substantially reduced energy barriers for oxidation reaction steps are the key. Findings in this study offer mechanistic and quantitative guidance for material selection and optimal synthesis conditions to stabilize metal SA catalysts at high temperatures.
(來源:科學網)
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