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福州大學(xué)Sen Lin等--波紋誘導(dǎo)的原始石墨烯H2活化活性位點
       原始石墨烯被廣泛認(rèn)為是化學(xué)惰性的,但最近的實驗研究表明,它可以在溫和條件下提供用于活化H2的阻礙路易斯對(FLPs)。使用密度泛函理論(DFT)和從頭計算分子動力學(xué)(AIMD)計算,我們在這項工作中探索了原始石墨烯中的波紋對FLPs的形成以及由此觀察到的催化活性的可能性。我們的DFT結(jié)果表明,H2活化的容易程度與石墨烯的波紋程度成正比。對于波紋石墨烯,兩個催化對位碳位點沿反應(yīng)坐標(biāo)顯示出瞬態(tài)路易斯酸/堿性質(zhì)的明顯跡象,這是FLPs的先決條件。此外,兩個解離的H原子攜帶相反的電荷,表明H2的異裂活化。室溫下的AIMD模擬證實了這一行為,這表明波紋石墨烯的波動導(dǎo)致具有不同距離和不同電荷的C位點。這些觀察結(jié)果為使用均相二維材料的FLP催化劑的實驗觀察結(jié)果和可能的設(shè)計原則提供了合理化。

 
圖1.在系統(tǒng)達(dá)到NVT平衡和平均厚度(虛線)平衡后的最后1 ps內(nèi),平面和波紋Gr.(a)厚度演變(實線)的波動。(b) NVT平衡后優(yōu)化波紋Gr中C–C對的徑向分布函數(shù)。(c) NVT模擬后2×2優(yōu)化Gr-s(s=1.00至0.95)的樣品結(jié)構(gòu),根據(jù)原子的z坐標(biāo)(高度)著色。

  
圖2.平面Gr.上的H2解離(a)Gr上的不同催化位點由附近碳位點的黑色虛線圓圈和藍(lán)色虛線圓圈表示的任意碳組成,表示為對位、間位或鄰位碳。(b) 相應(yīng)的能量屏障和FS結(jié)構(gòu)。顏色代碼:灰色,碳;綠色、氫。

 
圖3.波紋Gr.(a)電荷分布Gr-0.95(俯視圖)中的電子和催化性質(zhì),其中電荷用頂部刻度進(jìn)行顏色編碼。(b) e/Bohr中Gr-0.95(側(cè)視圖)的f+(r)、f–(r)和Δf(r)的橫截面輪廓。(3) (c)Gr-0.95催化的乙炔氫化的能量分布。顏色方案:c,灰色;H、 綠色。(d) 副位(C1,C2)和兩個H(H1,H2)在Gr-0.95上的H2解離中從IS到TS的更差電荷演化。反應(yīng)坐標(biāo)中的1和4分別對應(yīng)于IS和TS,而2和3對應(yīng)于IS與TS之間的活化H–H物種。(e)波紋Gr的厚度與比例因子以及H2活化的相應(yīng)能量勢壘之間的相關(guān)性。

 
圖4.沿反應(yīng)坐標(biāo)的動力學(xué)。(a)Gr-1.00和(b)Gr-0.95催化的H2解離沿CV的H–H和C–C距離的演變。自由能的最高點(TS)用灰色虛線標(biāo)記。配色方案:C,灰色;H、 綠色。(c) H2解離過程中Gr(s從0.95到1.00)的厚度演變。(d) 在Gr-0.95催化的H2解離過程中,QC1和QC2之間的電荷差(QC1–QC2)以及QH1和QH2的電荷積(QH1×QH2)。QH1×-QH2的負(fù)值表示兩種H的電荷狀態(tài)相反,而正值表示相同的電荷狀態(tài)。
  
       相關(guān)研究成果由福州大學(xué)Sen Lin等人2022年發(fā)表在ACS Catalysis (https://doi.org/10.1021/acscatal.2c04894)上。原文:Corrugation-Induced Active Sites on Pristine Graphene for H2 Activation。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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