【摘 要】
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我国是稀土资源大国,其开发利用具有重要战略意义。其中,稀土二氧化铈材料不仅在汽车尾气净化等环境催化领域应用广泛,其还在氧化脱氢等能源催化领域体现出优异性能。然而,人
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我国是稀土资源大国,其开发利用具有重要战略意义。其中,稀土二氧化铈材料不仅在汽车尾气净化等环境催化领域应用广泛,其还在氧化脱氢等能源催化领域体现出优异性能。然而,人们对二氧化铈等稀土材料的催化性能构效关系,以及稀土元素特有的高度局域f轨道的作用的认识还非常有限,只是笼统的归纳出其在催化过程中可以起到类似"电子储存器"的作用。为深入理解其催化性能,我们采用在位库仑作用校正的密度泛函理论计算(DFT+U),系统研究了二氧化铈等稀土氧化物催化材料在CO氧化,醇、烷烃氧化脱氢以及甲烷氧化偶联等催化过程中的作用机理。通过计算发现催化剂的电子结构在甲醇以及丙烷氧化脱氢反应中扮演关键角色,特别是二氧化铈负载钒氧化合物催化材料可以利用自身特有的NELS轨道和Ce 4f轨道协同作用,来实现催化活性的提升以及确保烷烃转化制烯烃的选择性。同时,对于甲烷催化氧化偶联,单一的稀土氧化镧或二氧化铈难以兼顾催化活性和偶联产物的选择性。通过对于体系电子结构的分析和理解,我们提出构建铈掺杂的氧化镧催化体系,可以利用有限的铈元素引入的4f轨道电子储存器作用实现C-H高效活化,其被使用后又可以确保气相自由基避免吸附而提高寿命,有利于偶联产物的选择性生成。另外,分子动力学模拟也进一步揭示出了二氧化铈表面晶格氧活性受表面具体结构影响的特殊性质。[1-4]
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