过渡金属硫化物对合成氨反应的催化活性研究

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氨气是生产氮肥、塑料和炸药的基本工业原料,而目前工业上主要使用Haber-Bosch法合成氨气,该产业对能源需求量大、且污染严重,不利于我国实现“碳达峰”和“碳中和”的目标。过渡金属硫化物具有优异的光学和电学性质,其缺陷位点被广泛用于催化析氢反应的研究,对于合成氨反应的关注相对较少。本文主要基于密度泛函理论研究了二硒化铂(Pt Se2)的边缘结构、二硫化钒(VS2)的边缘结构和点缺陷结构的合成氨催化活性。Pt Se2的边缘与N2的相互作用很弱,无法完成后续反应步骤。另一方面,1H-VS2的V-zigzag边缘与N2分子的相互作用较强,转移到N2分子的电荷量较多,且催化合成氨反应的势能决定步能量只有0.162 e V,因而呈现出很好的合成氨催化活性。对于VS2的点缺陷结构,最易形成的两种点缺陷结构都具有不错的催化活性。其中,1H相的S空位缺陷具有能量最低的势能决定步,只有0.538 e V;1H相的V增原子缺陷虽然势能决定步能量略高,但是与N2分子的相互作用更强。所以我们预测有缺陷的VS2是一种很有前途的合成氨催化剂。磷化铝(Al P)的化学性质活泼、热稳定性好,具有造价低廉的优点。我们基于密度泛函理论研究了闪锌矿Al P(110)表面P空位缺陷的合成氨催化活性。结果表明Al P在形成表面和P空位缺陷后,不仅光吸收能力增强,表面上的P空位缺陷可以束缚住N2,并成为催化合成氨反应的活性位点,其势能决定步能量只有0.706 e V。Al P也可以作为新型N2还原催化剂的备选材料。
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