汽車尾氣和化石燃料燃燒產生的有害一氧化碳(CO)氣體嚴重影響生態環境和人體健康，盡管低溫催化燃燒可以有效解決這一問題。本文提出了一種用于CO低溫催化燃燒的Fe和N共摻雜雙空位石墨烯催化劑(Fe- CxNy)，并利用密度泛函理論(DFT)系統地研究了CO在催化劑上催化燃燒反應的機理。比較了Eley-Rideal (ER1和ER2)、Langmuir-Hinshelwood (LH)和Termolecular Eley-Rideal (TER)四種氧化機制的氧化途徑和能量分布。結果表明，FeCxNy催化劑具有良好的催化活性。以LH反應機理為主的Fe-CN
3催化劑對CO的催化燃燒性能最好，僅為0.20 eV，可與貴金屬相媲美。速率常數計算進一步證明了Fe-CN
3在低溫下具有優異的催化性能。本工作不僅為CO低溫催化燃燒催化劑的設計和開發提供了理論依據，而且為CO燃燒反應動力學模型的建立提供了數據支持。
圖1. Fe-CN
3的電荷差密度圖(a)和相應的態密度(b)。
圖2. (a) Fe-C
3N， (b) Fe-C
2N
2， (c) Fe-CN
3和(d) Fe-N
4催化劑在AIMD模擬中1000 K和1 fs。時間間隔下的能量變化。
圖3. O
2在Fe-CN
3 (a)、Fe-N
4(c)的俯視圖和側視圖和左側的PDOS。CO在Fe-CN
3 (b)、Fe-N
4(d)的俯視圖和側視圖和左側的PDOS。棕色、金色、白色和紅色分別代表C、Fe、N和O。
圖4. CO在(a) Fe-C
3N、(b) Fe-C
2N
2、(c) Fe-CN
3和(d) Fe-N
4上的ER1機理反應途徑和能量分布。
圖5. CO通過ER2機制在(b) Fe-C
2N
2和(c) Fe-CN
3上的能量分布(a)和反應途徑。
圖6. (a) Fe-CN
3、Fe-C
2N
2和Fe-CN
3中的能量分布;(b) CO通過LH機制在Fe-CN
3中的反應途徑。
圖7. (a) CO通過TER機制在Fe-CN
3中的反應途徑;(b) Fe-CxNy中的能量分布。
圖8. 不同機制下在Fe-C
3N (a)、Fe-C
2N
2 (b)、Fe-CN
3 (c)和Fe-N
4 (d)上的CO氧化速率常數。主反應速率常數單位為s
-1，次反應速率常數單位為cm
3melecule
-1 s
-1。
相關研究成果由中國科學技術大學國家同步輻射實驗室Chunlan Qin等人于2023年發表在Molecular Catalysis (https://doi.org/10.1016/j.mcat.2023.113103 )上。原文：Theoretical study on the reaction kinetics of CO oxidation by nitrogen-doped graphene catalysts with different ligand structures。
轉自《石墨烯研究》公眾號
