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【計(jì)算+實(shí)驗(yàn)】頂刊集錦:蘭亞乾,魏子棟,康振輝,廖培欽,崔小強(qiáng),王艷芹等!

1. Angew:PCN-601氧化還原活性位用于甲醇氧化和CO2還原
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華南師范大學(xué)劉江和蘭亞乾等人建立復(fù)合CO2 電還原(HCER)的配位催化劑模型體系(具有活性氧化位點(diǎn)的Ni8-TET、具有活性還原位點(diǎn)的Ni-TPP和具有氧化還原活性位點(diǎn)的PCN-601)。發(fā)現(xiàn)PCN-601能完成甲醇的陽(yáng)極氧化反應(yīng)以及陰極CO2還原反應(yīng),F(xiàn)EHCOOH和FECO都超過(guò)90%。并且通過(guò)光照可以進(jìn)一步提高性能(FE接近100%)。
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DFT計(jì)算當(dāng)對(duì)體系施加電場(chǎng)時(shí),卟啉中心的 Ni 帶相對(duì)的負(fù)電荷,而 Ni8 簇中的 Ni 帶相對(duì)的正電荷。意味著只要對(duì)系統(tǒng)施加電場(chǎng),電荷就會(huì)從 Ni8 簇轉(zhuǎn)移到卟啉;緊接著計(jì)算 Ni8 簇和 Ni-TPP 上 CO2RR 和 MOR 的自由能圖。Ni8 簇的 CO2RR 活性比 Ni-TPP 差(ΔG0max = 1.50 vs. 0.68 eV,ΔG0max代表所有基本步驟中的最大標(biāo)準(zhǔn)吉布斯能量),而 Ni8 簇的 MOR 活性優(yōu)于 Ni-TPP Ni-TPP (ΔG0max = -0.64 vs -0.55 eV)。Ni-TPP 上 CO2RR 的速率決定步驟 (RDS) 是 CO2+H2O→COOH+OH,考慮到Ni卟啉將接收來(lái)自 Ni8 簇的電子,當(dāng)在Ni卟啉中加入一個(gè)電子發(fā)現(xiàn)RDS的反應(yīng)能降低0.26 eV,表明電荷轉(zhuǎn)移有利于CO2RR
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此外,NEB模擬CO2+H+e→COOH*過(guò)程發(fā)現(xiàn)吡唑和苯具有不同的親氧性,與苯環(huán)相比,吡唑基團(tuán)的活化能顯著降低,證明PCN-601的吡唑基團(tuán)可以降低DRS過(guò)程能壘。
Sheng-Nan Sun, Long-Zhang Dong et al. Redox-Active Crystalline Coordination Catalyst for Hybrid Electrocatalytic Methanol Oxidation and CO2 Reduction. Angew. Chem. Int. Ed. 2022
https://doi.org/10.1002/anie.202207282
2. CJC: ZnN4P/C 活性位催化劑用于ORR
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重慶大學(xué)Tayyaba Najam,彭立山和魏子棟等人報(bào)道P、N雙摻雜碳骨架負(fù)載的單原子Zn催化劑(Zn-N4P/C)用于氧還原反應(yīng)(ORR);Zn-N4P/C 催化劑表現(xiàn)出和Pt/C相當(dāng)?shù)?ORR 活性(E1/2 = 0.86 V)和優(yōu)于 Pt/C的穩(wěn)定性;在Zn-air電池測(cè)試中中的最大峰值功率密度為249.6 mW cm-2,比電容為779 mAh g-1,以及150 小時(shí)的充放電循環(huán)穩(wěn)定性。
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以ZnN4/C和 ZnN4P/C為結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行DFT理論計(jì)算。發(fā)現(xiàn)P 摻雜的 Zn-N4 部分 (Zn-N4-P) 顯示 Zn 原子周?chē)碾娮用芏缺然尕?fù)載的 Zn-N4 位點(diǎn)更高,表明ZnN4P/C 上的電荷密度重新分布;研究ZnN4/C 和 ZnN4P/C 的部分態(tài)密度 (PDOS)發(fā)現(xiàn)ZnN4P/C 中 Zn 的 d 帶隙的負(fù)位移比 ZnN4/C 中的 Zn 原子稍小,表明通過(guò) P 摻雜獲得 Zn-N4 活性位顯示增強(qiáng)的局部電子電導(dǎo)率。
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計(jì)算吉布斯自由能圖確認(rèn)最后的電子轉(zhuǎn)移步驟(*OH 解吸)是速率決定步驟(RDS),表明 Zn-O 親和力的減弱可以促進(jìn)ORR活性。因此,進(jìn)一步研究ZnN4/C 和 ZnN4P/C 的吸附和脫附性能;與 Zn-N4 相比,ZnN4P/C 的 ΔGOH*(*OH 的吸附自由能)值大得多,表明對(duì)氧分子的結(jié)合能力較低,OH*脫附過(guò)程更快;*OH 在 Zn-N4/C 中的強(qiáng)吸附導(dǎo)致RDS步驟的能壘更大,而 ZnN4P/C 樣品可以更好地調(diào)節(jié)*OH 結(jié)合強(qiáng)度,最終降低RDS能壘。
Syed Shoaib Ahmad Shah, Tayyaba Najam et al. Modulating the microenvironment structure of single Zn atom: ZnN4P/C active site for boosted oxygen reduction reaction. Chinese J. Catal. 2022. 8, 2193-2201.
https://doi.org/10.1016/S1872-2067(22)64089-0
3. Angew: 用于電催化質(zhì)子還原的聚乙二醇Sn卟啉配合物
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辛辛那提大學(xué)Jianbing “Jimmy” Jiang和田納西大學(xué)Konstantinos D. Vogiatzis等人驗(yàn)證基于主族元素的Sn卟啉配合物,作為質(zhì)子還原的有效分子電催化劑的適用性。聚乙二醇Sn卟啉復(fù)合物 (SnPEGP) 在乙腈(MeCN)電解液中以及三氟乙酸 (TFA) 質(zhì)子源中顯示出高催化活性(-1.7 V vs.Fc/Fc+, 電流密度為-4.6 mA/cm2)和高選擇性(-1.7 V vs.Fc/Fc+, H2 法拉第效率為 94% );H2產(chǎn)生的最大周轉(zhuǎn)頻率 (TOFmax) 為 1099 s-1
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DFT計(jì)算用于深入研究SnPEGP催化質(zhì)子還原機(jī)理。根據(jù)化學(xué)步驟(C,質(zhì)子化)和電子轉(zhuǎn)移(E)步驟的順序,HER 的雙電子/雙質(zhì)子轉(zhuǎn)移步驟可以通過(guò)多種途徑發(fā)生:CCEE、CECE、CEEC、EECC、ECEC 和 ECCE。Sn(II) 物種是通過(guò)以金屬為中心的兩電子還原以及 2 個(gè) Cl 軸向配體的損失形成。反應(yīng)的第一步要么涉及系統(tǒng)的還原,要么涉及 Sn 或 N 原子的質(zhì)子化。研究發(fā)現(xiàn)還原的 SnPEGP 催化劑(中間體 1)的自由能差(ΔG298)為 0.95 eV(施加過(guò)電勢(shì)為 0.05),其能量低于任何質(zhì)子化配合物(0.20 – 0.66 eV)。因此,初始還原步驟是有利的;在此之后,與第二次還原相比,最有可能發(fā)生質(zhì)子化。第二次還原具有 2.08 eV 的自由能差(施加過(guò)電勢(shì)為 1.18 eV),高于任何質(zhì)子化配合物。Sn 原子(中間體 2)的質(zhì)子化是唯一的放熱步驟(-0.13 eV),而 N 原子的質(zhì)子化是吸熱過(guò)程。
在形成中間體2之后,SnPEGP 表面上發(fā)生質(zhì)子化或還原。任何一個(gè)可用 N 原子的第二次質(zhì)子化以約 0.90 eV 的自由能差進(jìn)行,而第二次還原(中間體 3)以 1.26 eV 的自由能差進(jìn)行,隨著施加的過(guò)電位降低至 0.36 eV。因此,反應(yīng)的第三步很可能涉及還原,表明SnPEGP 催化劑上的 HER 是通過(guò)ECEC 途徑進(jìn)行,即還原之后是質(zhì)子化,然后重復(fù)。反應(yīng)的最后一步涉及以相似的自由能差進(jìn)行的任何一個(gè) N 原子的質(zhì)子化。在最接近 PEG 部分的 N 原子上發(fā)生質(zhì)子化的中間體(中間體 4A)顯示出 0.16 eV 的自由能差,而另一個(gè) N 原子(4B)的質(zhì)子化以 0.34 eV 的自由能差進(jìn)行。由于這種小的能量差異,最終的質(zhì)子化步驟可能發(fā)生在任一N原子。
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兩質(zhì)子/兩電子轉(zhuǎn)移步驟之后,研究導(dǎo)致 H2 形成的鍵解離步驟相關(guān)的動(dòng)力學(xué)。斷裂 N-H 和 Sn-H 鍵形成 H2 的動(dòng)力學(xué)勢(shì)壘為 0.67 eV (15.4 kcal/mol)(4A)以及0.82 eV (18.9 kcal/mol)(4B)。HER 最有可能在中間體 4A 形成后繼續(xù)進(jìn)行;最后發(fā)現(xiàn) H2 與 SnPEGP 催化劑的弱結(jié)合(0.13 eV)有利于催化劑再生。
Ashwin Chaturvedi, Gavin A. McCarver et al. A PEGylated Tin-Porphyrin Complex for Electrocatalytic Proton Reduction: Mechanistic Insights into Main-Group Element Catalysis. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202206325
https://doi.org/10.1002/anie.202206325
4. AM:無(wú)定形NiB2用于高效電合成H2O2
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蘇州大學(xué)康振輝教授,劉陽(yáng)教授,陳子亮副教授,柏林工業(yè)大學(xué)Prashanth W. Menezes等人通過(guò)用不同量的 BH4 定向還原 Ni2+,靈活調(diào)節(jié)無(wú)定形NiB2納米結(jié)構(gòu)的內(nèi)在活性,以實(shí)現(xiàn)高效的 2e-ORR;無(wú)定形 NiB2 在 0.4 V電壓下,2e 選擇性接近99%,在較寬的電位范圍內(nèi)選擇性超過(guò) 93% ;將NiB2組裝到氣體擴(kuò)散電極后,實(shí)現(xiàn) 4.753 mol gcat-1 h-1 的超高 H2O2 產(chǎn)率。
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DFT計(jì)算硼化物對(duì)中間體 *OOH (ΔGOOH*) 的吸附自由能,發(fā)現(xiàn)NiB2 的 ΔGOOH* 值 (3.75 eV) 最接近理想值 3.52 eV,表明對(duì) *OOH 的吸附和解吸能力達(dá)到最佳平衡,有利于 O-O 鍵的保留和 H2O2 的產(chǎn)生;使用 ΔGOOH*描繪2e-ORR 路徑的極限電位-火山圖,發(fā)現(xiàn)NiB2最接近火山圖頂端,表明產(chǎn)生H2O2的活性最高;*OOH 轉(zhuǎn)化為 *O 的自由吸附能壘約為 +0.21 V,大于 0.7 V *OOH 轉(zhuǎn)化為 *O 的自由吸附能壘(-0.23 eV),表明高的二電子還原選擇性;當(dāng) Ni 與 B 的比例較高時(shí),例如 Ni3B、Ni2B 和 NiB,*OOH 的吸附模型傾向于側(cè)向模式,不利于O-O鍵保留,當(dāng) B 與 Ni 的比例較高時(shí),B 原子可以有效地隔離相鄰 Ni 原子,導(dǎo)致*OOH 的端吸附模式,并有利于 O-O 鍵的保存;研究底物和*OOH之間的差分電荷密度分布發(fā)現(xiàn)NiB2在底物和 *OOH 之間表現(xiàn)出適度的電荷相互作用,從而提高催化活性。以上結(jié)果表明,Ni電子結(jié)構(gòu)和吸附模型可以通過(guò) Ni 和 B 之間的原子比進(jìn)行調(diào)整,從而優(yōu)化 ΔGOOH*。
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Jie Wu, Meilin Hou, et al. Composition Engineering of Amorphous Nickel Boride Nanoarchitectures Enabling Highly Efficient Electrosynthesis of Hydrogen Peroxide. Adv. Mater. 2022
https://doi.org/10.1002/adma.202202995
5. ?ACS Catal.:MOF負(fù)載的雙銅位點(diǎn)用于CO2還原制C2+ 產(chǎn)物
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中山大學(xué)廖培欽等人證明金屬有機(jī)骨架 Cu-HITP (HITP = 2,3,6,7,10,11-六亞氨基苯并苯) 晶體表面上的雙銅位點(diǎn)非常適合催化*CO 與*COH 偶聯(lián)形成*OCCOH,在 KHCO3 電解液中實(shí)現(xiàn)C2+ 還原產(chǎn)物的高選擇性,C2+產(chǎn)物的法拉第效率為 75(3)%,C2H4的法拉第效率為 51(1)%。
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DFT計(jì)算結(jié)果表明,速率限制步驟是*CO轉(zhuǎn)化為*COH,反應(yīng)能為0.95 eV;關(guān)鍵中間體*OCCOH的形成能僅為-0.74 eV,低的C-C耦合反應(yīng)能表明通過(guò)*OCCOH中間體很容易在Cu-HITP表面形成C-C鍵;另外,兩個(gè)相鄰 *CO 物種之間的距離為 2.72 ?,因此*CO物種在 Cu-HITP 表面上直接形成 *OCCO 中間體是熱力學(xué)不利的;中間體 *CO 和 *CHO 之間的距離為 3.25 ?,*CO 與 *COH 偶聯(lián)生成 *OCCOH 是形成 C-C 鍵的最熱力學(xué)主要途徑。
進(jìn)一步研究Cu(100)和Cu(111)表面上*CO和*COH物種之間的C-C耦合。在Cu-HITP表面,*CO和*COH物質(zhì)耦合形成CC鍵的反應(yīng)能為-0.74 eV,低于Cu(100)和Cu(111)晶面的反應(yīng)能;此外,對(duì)于 *CO + *COH → *OCCOH,Cu-HITP 催化的自由能壘與 Cu(111) 和 Cu(100) 表面上的自由能壘相比最低,表明與 Cu(100) 和 Cu(111) 晶面相比,Cu-HITP 中活性位點(diǎn)之間的距離 (3.4 ?) 更適合 *CO 與 *COH 耦合形成 *OCCOH 的低能途徑。
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Zhen-Hua Zhao, Hao-Lin Zhu, et al. Polydopamine Coating of a Metal?Organic Framework with BiCopper Sites for Highly Selective Electroreduction of CO2 to C2+ Products. ACS Catal. 2022, 12, 7986?7993
https://doi.org/10.1021/acscatal.2c02002
6. AFM:吡咯氮穩(wěn)定的單價(jià)Ni單原子電催化劑用于CO2還原
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韓國(guó)全北大學(xué)Do Hwan Kim和延世大學(xué)Do Hwan Kim等人開(kāi)發(fā)軟模板輔助技術(shù)來(lái)合成吡咯 N4-Ni 位點(diǎn)以及不同的 N 型缺陷,以協(xié)同提高 CO2RR 性能。最佳催化劑在 -0.6 V 的低電位下實(shí)現(xiàn) 94% 的 CO 法拉第效率,在 -1 V 下實(shí)現(xiàn) 59.6 mA cm-2 的 CO 部分電流密度。
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DFT計(jì)算表明石墨 N 和吡啶 N 上 COOH* 中間體形成的自由能分別為 2.57 和 0.30 eV,遠(yuǎn)高于吡咯 N(-0.40 eV),意味著吡咯 N 上的有利的COOH* 動(dòng)力學(xué);在 CO* 解吸過(guò)程中,由于 CO* 的強(qiáng)結(jié)合,吡咯 N 位點(diǎn)必須克服更高的脫附自由能。這些結(jié)果表明,N 摻雜位點(diǎn)對(duì) CO2RR 的催化性能受到不利的COOH* 形成或 CO* 緩慢脫附的限制。此外,吡咯 N 物種附近的 C 呈現(xiàn) COOH* (-0.23 eV) 和 CO* (0.23 eV) 形成的最小自由能變化,表明平衡的吸附和脫附過(guò)程增強(qiáng)CO2RR性能。
具有孤對(duì)電子的吡咯 N 增加了相鄰碳 (δ) 上的電子密度,這導(dǎo)致吡咯 N-C 鍵長(zhǎng) (1.338 ?) 比吡啶 N-C 鍵長(zhǎng) (1.349 ?) 更短,吡咯 N-C 位點(diǎn)處電子密度的增加有利于 CO2 的吸附,從而加速 CO2RR過(guò)程。此外,晶體軌道漢密爾頓分布(COHP) 分析表明,吡咯 N 附近的 C 與 COOH* 的 C 具有更強(qiáng)的鍵合相互作用。吡咯C-C的鍵合強(qiáng)度為-8.12 eV,高于吡啶N-C(-5.42 eV),表明吡咯 C 和 COOH* 中間體的 C 之間的相互作用更強(qiáng)。因此,吡咯 C 位點(diǎn)降低了 COOH* 形成的自由能,提高 CO2RR 活性。
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Ramireddy Boppella, Muthu Austeria P et al. Pyrrolic N-Stabilized Monovalent Ni Single-Atom Electrocatalyst for Efcient CO2 Reduction: Identifying the Role of Pyrrolic–N and Synergistic Electrocatalysis. Adv. Funct. Mater. 2022, 2202351
https://doi.org/10.1002/adfm.202202351
7. Angew. :Rh金屬烯上原子分散 MoOx 促進(jìn)堿性HER
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吉林大學(xué)范錦昌和崔小強(qiáng)等人報(bào)告使用一鍋溶劑熱法合成錨定在 Rh 金屬烯上的原子分散的 MoOx 物種,催化劑結(jié)構(gòu)最大程度地暴露氧化物-金屬界面,產(chǎn)生具有超高堿性 HER 活性的 MoOx-Rh 催化劑,在 50 mV 的過(guò)電位下獲得了 2.32 A mgRh-1 的質(zhì)量活性,是商業(yè) Pt/C 的 11.8 倍。
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DFT計(jì)算闡述MoOx-Rh 中MoOx 和 Rh 在堿性 HER過(guò)程中的協(xié)同作用。研究發(fā)現(xiàn)MoOx 簇錨定在 Rh(111) 表面, 在 MoOx-Rh 金屬烯界面有豐富的電子積累;DFT計(jì)算表明原子分散的MoOx物種通過(guò)O原子錨定在Rh金屬烯的表面,強(qiáng)的共價(jià)結(jié)合能為(-3.32 eV)使得MoOx物種在HER過(guò)程中具有高穩(wěn)定性。
通常,緩慢的 H2O 解離過(guò)程限制了堿性 HER 的反應(yīng)動(dòng)力學(xué),因此進(jìn)一步研究H2O在催化劑表面的吸附和解離。與Rh位點(diǎn)相比,界面處的不飽和致密MoOx位點(diǎn)優(yōu)先吸附和解離H2O分子,而隨后的H*吸附和H2解吸發(fā)生在相鄰的Rh原子上;特別是,H2O 在 MoOx-Rh 上的吸附能為 -0.51 eV,比 Pt (111) 表面 (0.05 eV) 或 Rh (111) 表面 (-0.08 eV) 的吸附能強(qiáng);MoOx-Rh 對(duì) H2O 的更強(qiáng)吸附有利于堿性 HER過(guò)程,即促進(jìn) Volmer 反應(yīng)。此外,與 Pt(111) 表面 (0.55 eV) 和 Rh (111) 表面 (-0.09 eV) 相比,MoOx-Rh 顯示出 -0.40 eV 的優(yōu)異 H2O 解離活性。
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DFT進(jìn)一步計(jì)算H* 的吸附自由能 (ΔGH*)。Rh(111) 表面上的 ΔGH* 值很大,表明氫原子在 Rh 催化劑上強(qiáng)結(jié)合,不利于H2的脫附;相比之下,對(duì)于MoOx-Rh 金屬烯,當(dāng)覆蓋率超過(guò) 0.77 單層時(shí),H* 將傾向于吸附在界面 Rh 位點(diǎn)上,并且 ΔGH* 值接近最佳值(ΔGH*= 0),表明 MoOx 和 Rh 之間的界面有利于 H2O 解離、H* 吸附和 H2 解吸
Jiandong Wu, Jinchang Fan et al. Atomically Dispersed MoOx on Rhodium Metallene Boosts Electrocatalyzed Alkaline Hydrogen Evolution. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, e202207512
https://doi.org/10.1002/anie.202207512
8. Nat. Commu.:Co@CoO核殼催化劑催化氫解5-羥甲基糠醛制2,5-二甲基呋喃
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華東理工大學(xué)龔學(xué)慶、王艷芹聯(lián)合曼徹斯特大學(xué)楊四海等人報(bào)道獨(dú)特的Co@CoO核殼結(jié)構(gòu)催化劑,其將生物質(zhì)衍生的 5-羥甲基糠醛高效氫解為 2,5-二甲基呋喃;并且研究發(fā)現(xiàn)催化活性位點(diǎn)位于具有氧空位的 CoO 殼上,而不是金屬 Co。
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DFT計(jì)算闡明CoO 殼上氧空位對(duì)于HMF 的氫解的重要性。首先計(jì)算H2 在 CoO(100) 和 CoO(100)-Ov 表面上的吸附和解離的能量分布。H2在CoO(100)和CoO(100)-Ov處的吸附能分別為0.25和1.63 eV,表明CoO(100)-Ov具有更強(qiáng)的結(jié)合能力;重要的是, CoO(100) 上H2異裂過(guò)程吸熱 0.54 eV,勢(shì)壘為0.60 eV,而在 CoO(100)-OV 表面上,吸熱僅為0.36 eV,并且具有較低的勢(shì)壘(0.56 eV)因此,CoO(100)-OV 有利于 H2 的異裂。計(jì)算 H2 在 CoO(100)-OV 表面上的均裂發(fā)現(xiàn)OV可以輔助H2在催化劑表面裂解為兩個(gè)Hδ?,并且H2的均裂過(guò)程放熱(0.23 eV),能壘為 0.51 eV;表明CoO(100)-OV 表面上H2均裂比異裂更容易,并且兩個(gè)Hδ-的形成可能使CoO(100)-OV表面比CoO更活躍。
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進(jìn)一步計(jì)算CoO(100)-OV表面HMF的吸附、活化及轉(zhuǎn)化成DMF的完整反應(yīng)路徑。研究發(fā)現(xiàn),HMF 首先吸附在 CoO(100)-OV 表面,吸附放熱高達(dá) 2.22 eV,高于 H2 的吸附放熱(1.63 eV);此外,HMF通過(guò)-CH=O的O原子垂直吸附在CoO(100)-Ov表面,填補(bǔ)材料的氧空位;隨后,H2吸附在 CoO(100)-Ov 表面,并放熱 0.75 eV;吸附的 H2 通過(guò)異裂過(guò)程以 0.60 eV 的勢(shì)壘被活化,其中一個(gè) H 原子與 Co 原子鍵合,而另一個(gè)被 O 原子占據(jù);Co-Hδ-的電負(fù)性H首先攻擊HMF中吸附的-CH=O的正電Cδ+,該過(guò)程放熱 0.63 eV,需要克服 0.63 eV 的勢(shì)壘;Hδ+攻擊-CH2~O的O原子是速率決定步驟,該過(guò)程吸熱0.97 eV,勢(shì)壘為1.42 eV;然后,在 BHMF 氫解過(guò)程中生成 HMMF和 H2O,分別需要克服 0.84 eV 和 1.3 eV 的能壘;在 HMMF 氫解生成 DMF 和 H2O 的過(guò)程中,需要克服 1.23 和 0.33 eV 的能壘。
Xiang, S., Dong, L., Wang, ZQ. et al. A unique Co@CoO catalyst for hydrogenolysis of biomass-derived 5-hydroxymethylfurfural to 2,5-dimethylfuran. Nat Commun 13, 3657 (2022)
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31362-9

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