【摘要】：隨著環(huán)境污染的日益嚴(yán)重,廢氣的轉(zhuǎn)化與消除逐漸成為科學(xué)研究的熱點。排放未經(jīng)處理的一氧化碳(CO)對人體和環(huán)境有較大危害,CO的存在會使催化劑的活性降低從而影響催化反應(yīng)的進行。目前消除CO最有效的方法是將其轉(zhuǎn)化為二氧化碳(CO_2)。大量的理論和實驗研究表明傳統(tǒng)催化劑如Au、Pd和Pt等貴金屬可以催化氧化CO,但是其成本高,催化效率低等問題亟待解決。單原子催化劑(SAC)可以在單個原子的級別上控制原子在底層材料的負(fù)載和摻雜(包括貴金屬與非貴金屬),很大程度減小了團簇問題,顯著提高催化劑的活性與效率。近年來,對于二維材料摻雜和負(fù)載金屬原子形成的單原子催化體系研究最為廣泛。本文通過密度泛函理論(DFT),以兩種二維材料為基底,通過篩選不同金屬類別及吸附位點,設(shè)計一系列非貴金屬單原子催化劑探索其對CO的催化氧化機制,具體包括:(1)五元石墨-Penta Graphene(PG)作為碳的新型同素異形體,具有和石墨烯相似的物理和化學(xué)特性近幾年收到廣泛研究,為了探索CO的氧化機理并且拓展PG在SAC領(lǐng)域的應(yīng)用,使用第一性原理對一系列金屬原子修飾后的PG催化CO氧化進行探究。理論計算表明,在Fe摻雜PG三配位的C1位點時,經(jīng)過(Eley-Rideal)ER機理比(Langmuir-Hinshelwool)LH機理氧化CO更為有利,第一個CO氧化過程為決速步驟(Rate-Determining Step,RDS),能壘為0.51 eV。當(dāng)Fe摻雜在四配位的C2位點時,ER和LH機理幾乎相同,活化能分別為0.59 eV和0.60 eV。以上結(jié)果相比于大部分SAC尤其是以石墨烯及其衍生物為基底的催化劑催化活性要高。結(jié)果表明對于新型碳的同素異形體PG為基底的單原子催化劑能有效消除和轉(zhuǎn)化CO。(2)二硫化鉬-Molybdunum-disulfide(MoS_2)具有特殊的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì),在催化領(lǐng)域有很大的應(yīng)用價值,能夠有效催化析氫反應(yīng)(HER)。為了探究其對于CO氧化的催化作用,使用不同金屬摻雜MoS_2表面形成SAC,結(jié)果發(fā)現(xiàn)Al與MoS_2的結(jié)合能更大,與氣體的相互作用也更強。對于CO氧化傾向于發(fā)生ER機理,第一個CO氧化為RDS,能壘為0.19 eV。而形成的第二個CO_2的吸附能較大,不容易自行脫除,連續(xù)的O_2分子吸附在MoS_2單分子層會促使CO_2解離,反應(yīng)能壘僅為0.01 eV。結(jié)果表明Al摻雜的MoS_2形成的單原子催化劑能夠有效促進CO氧化,對于解決廢氣污染問題有著積極意義。
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ426;X701

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本文編號：2609930