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計(jì)算+實(shí)驗(yàn)頂刊集錦:戴黎明、唐智勇、郭少軍、何靜、石峰等計(jì)算成果

1.Adv. Mater.:p-CuSiO3/CuO高效電還原CO2制多碳產(chǎn)物
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電化學(xué)CO2轉(zhuǎn)化為增值多碳(C2+)化學(xué)品有望減少CO2排放和推進(jìn)碳中和,但是由于C-C偶聯(lián)催化劑上的活性位點(diǎn)有限,實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)化率和高選擇性仍然還面臨挑戰(zhàn)。
基于此,國(guó)家納米科學(xué)技術(shù)中心唐智勇研究員等人報(bào)道了一種無定形CuSiO3包裹多孔CuO(p-CuSiO3/CuO),以最大化活性界面位點(diǎn),從而有效地將CO2還原為C2+產(chǎn)物。p-CuSiO3/CuO催化劑在-1.2 V下的H-型電池中顯示出優(yōu)異的C2+法拉第效率(FE),在0.1 M KHCO3條件下為77.8%;在電流密度為400 mA cm-2、1 M KOH條件下的流動(dòng)電池中,C2H4和C2+ FEs分別為82.0%和91.7%。
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通過密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明,CuSiO3(201)中*COOH通過C與Cu原子結(jié)合在CuSiO3(201)/CuO(110)上的吸附比CuO(110)中的吸附更穩(wěn)定,導(dǎo)致*COOH的形成能相對(duì)于CuO(110)(1.56 eV)降低0.74 eV。在還原CO2RR過程中,作者利用帶羥基的CuSiO3(201)將Cu的價(jià)態(tài)調(diào)整為Cu+,用Cu(110)表示Cu0。因此,*CO與*COH耦合生成*OCCOH的關(guān)鍵描述符。
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此外,CuSiO3(201)/Cu(110)對(duì)*OCCOH的生成能為-0.06 eV,明顯低于Cu(110)(0.39 eV)。*CO-*COH偶聯(lián)在CuSiO3(201)/Cu(110)界面的最佳吸附構(gòu)型是羰基C與Cu(110)中的Cu原子結(jié)合,羥基C與CuSiO3(201)中的Cu原子連接。CuSiO3(201)/Cu(110)上CO2以ΔG=0.33 eV還原為*COOH,低于Cu(110)。
因此,CuSiO3(201)/Cu(110)保留了更高的表面*CO覆蓋。*CO-*CO向*CO-*COH的轉(zhuǎn)化是速率決定步驟(RDS),界面的存在促進(jìn)了質(zhì)子傳遞,使*CO加氫成為*COH,然后與相鄰的*CO偶聯(lián)。總之,豐富的界面激活CO2并促進(jìn)關(guān)鍵的C2中間體*OCCOH的形成,有利于C2H4的合成。
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Efficient CO2 Electroreduction to Multicarbon Products at CuSiO3/CuO Derived Interfaces in Ordered Pores. Adv. Mater., 2023, DOI: 10.1002/adma.202305508.
2.?J. Am. Chem. Soc.:Pt-AC/Cr-N-C助力實(shí)際堿性HER
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在導(dǎo)電載體上分散Pt原子團(tuán)簇(ACs)是一種很有前途的方法,可以最大限度地減少析氫反應(yīng)(HER)中所需的Pt量,但是Pt ACs的催化質(zhì)量活性和耐久性仍需提高,并且在穩(wěn)定它們防止團(tuán)聚和脫離方面也存在挑戰(zhàn)。
基于此,北京大學(xué)郭少軍教授等人報(bào)道了一種具有高親氧性的單原子Cr-N4位點(diǎn)和Pt-Acs的催化劑(Pt-AC/Cr-N-C),用于在陰離子交換膜水電解槽(AEMWE)中實(shí)現(xiàn)高活性和穩(wěn)定的堿性HER。該催化劑具有最高的Pt質(zhì)量活性(比商用Pt/C高37.6倍)和優(yōu)異的操作穩(wěn)定性。使用該催化劑的AEMWE(僅為50 μgPt cm-2)在1.8 V電流密度為500 mA cm-2的工業(yè)級(jí)電流下穩(wěn)定工作100 h,降解速率僅為90 μV h-1
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通過DFT計(jì)算,作者揭示了Pt-AC/Cr-N-C催化劑用于HER催化的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)的原因。采用固定在Cr-N-C基底中單個(gè)Cr-N4位點(diǎn)上的Pt6簇組成的板狀模式,以模擬Pt-AC/Cr-N-C的原子結(jié)構(gòu)。
需注意,作者還建立了一個(gè)緊挨著Pt6簇的額外Cr-N4位點(diǎn),以模擬Pt L3-edge EXAFS光譜中鑒定的第二殼Pt-Cr配位。經(jīng)DFT優(yōu)化后,Pt1-Cr1和Pt2-Cr2的原子間距分別為2.25和3.86 ?。電荷密度差分布表明,Cr1原子與其相鄰的Pt1原子之間存在明顯的電荷積累,表明在團(tuán)簇-基底界面形成了Pt1-Cr1準(zhǔn)共價(jià)鍵,有助于穩(wěn)定Cr-N-C上的Pt6團(tuán)簇。
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在團(tuán)簇-基底界面上還觀察到額外的Pt-C鍵,以穩(wěn)定Pt6團(tuán)簇。Pt1-Cr1相互作用在費(fèi)米能級(jí)以下的貢獻(xiàn)顯著,導(dǎo)致Pt1-Cr1鍵具有準(zhǔn)共價(jià)性質(zhì)。
在Cr-N-C基底中,Pt1-Cr1鍵的鍵距為0.82,是Pt2-C鍵的鍵距的2.3倍,甚至超過了Cr-N鍵的鍵距,表明Pt1-Cr1在穩(wěn)定Pt ACs中的鍵強(qiáng)度明顯高于Pt-C。作者還發(fā)現(xiàn)在團(tuán)簇-基底界面形成的Pt1-Cr1準(zhǔn)共價(jià)鍵主要源于Pt 5d和Cr 3d軌道的貢獻(xiàn),其中Pt 5d帶與狹窄的Cr 3d帶雜化形成成鍵和反鍵狀態(tài)。
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Single-Atom Cr-N4 Sites with High Oxophilicity Interfaced with Pt Atomic Clusters for Practical Alkaline Hydrogen Evolution Catalysis. J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c06863.
3.?J. Am. Chem. Soc.:Cu/Al2O3-N-L MICs實(shí)現(xiàn)高活性、選擇性加氫
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表面分子印跡技術(shù)是提高催化反應(yīng)選擇性最有效的技術(shù)之一,通過MI策略制備選擇性催化劑需要犧牲表面活性位點(diǎn)的數(shù)量,導(dǎo)致活性顯著降低。因此,迫切需要設(shè)計(jì)出催化活性和選擇性都得到顯著提高的分子印跡催化劑(MICs)。
基于此,中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所石峰研究員和崔新江研究員等人報(bào)道了通過在Cu/Al2O3的Cu表面依次吸附印跡分子(硝基化合物,N)和印跡配體(1, 10-菲羅啉,L)制備了一系列MICs。所得到的Cu/Al2O3-N-L MICs不僅具有促進(jìn)的催化選擇性,而且還通過在Cu位點(diǎn)和L的界面上形成新的活性Cu-N位點(diǎn)而產(chǎn)生印跡腔,促進(jìn)了硝基化合物加氫的選擇性和活性。
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通過DFT計(jì)算,作者研究了分子印跡效應(yīng)增強(qiáng)催化活性和選擇性的來源。考慮到Cu/Al2O3-N1-L1是通過N1L1在還原Cu/Al2O3上的順序吸附合成的,以Cu(111)表面為主要晶面作為模型。
需注意,Cu納米顆粒的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Cu/Al2O3-N3-L1表面的(12×12)Cu(111)模型,表明了計(jì)算構(gòu)型的合理。結(jié)果表明,在平面模型中,印跡分子(N1)和印跡配體(L1)都優(yōu)先吸附在金屬表面,并且印跡腔是由N1L1在Cu/Al2O3上的順序吸附形成的。
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此外,在L1吸附后,得到了表面Cu物種與L1N物種配位形成Cu-N位點(diǎn)。作者選擇Cu/Al2O3-N3-L1和Cu/Al2O3-N2-L1而不是Cu/Al2O3-N1-L1來研究物質(zhì)的吸附能(Eads)。
當(dāng)Cu/Al2O3-N3-L1存在時(shí),根據(jù)N1、N2和N3的Eads值發(fā)現(xiàn),其中吸附能從-1.66 eV(N1)逐漸降低到-2.18 eV(N2),再降低到-2.96 eV(N3),因此N3較低的吸附能有利于其在Cu/Al2O3-N3-L1表面的吸附。當(dāng)使用Cu/Al2O3-N2-L1催化劑時(shí),N2更傾向于吸附在形成的印跡腔中,其吸附能為-2.17 eV,遠(yuǎn)高于N1
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Construction of Highly Active and Selective Molecular Imprinting Catalyst for Hydrogenation. J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c04576.
4. J. Am. Chem. Soc.:MFM-300(Fe)催化甲烷直接轉(zhuǎn)化為乙烯和乙炔
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將甲烷(CH4)轉(zhuǎn)化為乙烯(C2H4)或乙炔(C2H2),可以直接從天然氣中獲得多種產(chǎn)品。然而,通常需要較高的反應(yīng)溫度和壓力來激活和轉(zhuǎn)化CH4,并且從未反應(yīng)的CH4中分離C2+產(chǎn)物還具有挑戰(zhàn)性。
基于此,英國(guó)曼徹斯特大學(xué)楊四海教授和Martin Schr?der等人報(bào)道了在環(huán)境(25 °C和1 atm)和流動(dòng)條件下,由非熱等離子體驅(qū)動(dòng)下金屬-有機(jī)骨架材料(MFM-300(Fe))催化CH4直接轉(zhuǎn)化為C2H4和C2H2。C2H4和C2H2的選擇性達(dá)到96%,產(chǎn)率高達(dá)334 μmol gcat-1 h-1。在轉(zhuǎn)化率為10%時(shí),對(duì)C2+烴的選擇性和時(shí)間收率分別超過98%和2056 μmol gcat-1 h-1,為CH4的轉(zhuǎn)化提供了新的基準(zhǔn)。
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DFT計(jì)算表明,CH4I在Fe-O(H)-Fe位點(diǎn)吸附后,系統(tǒng)能量降低了4.9 kJ mol?1,證實(shí)了CH4I在降低C-H鍵活化能方面的獨(dú)特作用。CD4II位于兩個(gè)配體苯基環(huán)之間,CII···苯基環(huán)=3.34(1)和3.86(1) ?。CD4I和CD4II的分子間距離為4.92(1) ?。
在進(jìn)一步加載CD4后,兩個(gè)位點(diǎn)上CD4分子的占有率增加,CD4I和Fe-O(H)-Fe位點(diǎn)之間的距離也略有增加,F(xiàn)e-OH···CD4I=3.33(1) ?。額外的CD4負(fù)載導(dǎo)致第三個(gè)結(jié)合位點(diǎn)(CD4III),它被CD4分子夾在位點(diǎn)I和II上,CD4I···CD4III=3.66(2) ?和CD4III··CD4II=2.99(2) ?。
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在高負(fù)荷下,CD4分子在三個(gè)位點(diǎn)的占有率均增加,F(xiàn)e-OH···CD4I距離顯著增加3.80(1)?;CD4I···CD4III和CD4III··CD4II的距離分別減小到2.06(1)和2.51(1) ?。在加載CH4后,在低能區(qū)表現(xiàn)出明顯的特征,與CH4分子的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。CH4分子與MFM-300(Fe)中Fe-O(H)-Fe位點(diǎn)之間的主客體相互作用有效降低了C-H鍵激活的能壘,促進(jìn)了催化CH4轉(zhuǎn)化。
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Direct Conversion of Methane to Ethylene and Acetylene over an Iron-Based Metal-Organic Framework. J. Am. Chem. Soc., 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c03935.
5. Angew. Chem. Int. Ed.:Cu2O-SrTiCuO3-x助力乙醇與CO2的羰基化反應(yīng)
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以CO2作為羰基源的乙醇羰基化對(duì)于制備酯類化合物具有重要的意義和意義,但由于惰性CO2的活化條件苛刻,導(dǎo)致乙醇中α-C-H的活化有待提高,甚至導(dǎo)致C-C鍵的斷裂,從而使O-H鍵的特異性活化惡化,因此還是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
基于此,北京化工大學(xué)何靜教授等人報(bào)道了一種乙醇與CO2羰基化的光熱協(xié)同策略,在乙醇O-H鍵的熱催化解離*H幫助下,CO2通過光催化被激活成反應(yīng)性CO。Cu2O-SrTiCuO3-x在144 ℃、3.29 W cm-1 UV-Vis 照射和0.2 MPa CO2條件下,甲酸乙酯的產(chǎn)率可達(dá)320 μmol g-1 h-1,選擇性為85.6%。在CO2光驅(qū)動(dòng)活化和羰基化過程中,CO2活化能降至12.6 kJ mol-1,醇類α-C-H鍵的裂解受到抑制。
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乙醇與CO2羰基化的機(jī)理如下:乙醇和CO2分別吸附在SrTiCuO3-x和Cu2O-SrTiCuO3-x的氧空位(Ov)界面上;吸附的CO2被UV-Vis照射下SrTiCuO3-x上產(chǎn)生的電子激活為活性*CO,再被Cu2O捕獲,H資源來源于乙醇中O-H鍵的熱解離。活性的*CO與相鄰的Ov上的乙氧基偶聯(lián)到*COOC2H5上,結(jié)合一個(gè)氫原子形成EF。未偶聯(lián)的乙醛與*CO分別產(chǎn)生乙醛或CO、甲烷或甲醇。因此,乙醇和*CO偶聯(lián)的活性位點(diǎn)對(duì)于乙醇與CO2的羰基化至關(guān)重要。
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此外,在甲醇與CO2的羰基化反應(yīng)中,發(fā)現(xiàn)碳酸二甲酯的生成速率為33 μmol g-1 h-1,表明乙醇O-H的解離可能是羰基化產(chǎn)物的決定因素之一。通過監(jiān)測(cè)反應(yīng)中0.31-Cu2O-SrTiCuO3-x上的生成物形成,EF和氧氣的生成量在前4 h迅速增加,然后逐漸變慢,而乙醛的生成量在4 h后增加得更快,表明CO2活化和/或偶聯(lián)的活性位點(diǎn)失活。
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Photo-thermal Cooperative Carbonylation of Ethanol with CO2 on Cu2O-SrTiCuO3-x. Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202312068.
6.?Angew. Chem. Int. Ed.:Bi-ZMOF高效電催化CO2還原為甲酸!
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沸石型金屬有機(jī)框架(ZMOFs)是一種極具潛力的能量轉(zhuǎn)化催化劑,但其存在金屬有機(jī)立方體(MOCs)之間的鍵合較弱,導(dǎo)致其在催化過程中穩(wěn)定性降低,或活性位點(diǎn)不足導(dǎo)致活性低下的問題。
基于此,中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所周天華研究員和李春森研究員等人報(bào)道了通過配體定向策略,并制備了一種新型的鉍基ZMOF(Bi-ZMOF),具有ACO拓?fù)渚w結(jié)構(gòu),Bi基籠間具有強(qiáng)配位鍵。Bi-ZMOF可有效地將CO2還原為甲酸(HCOOH),法拉第效率(FE)高達(dá)91%。
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DFT計(jì)算結(jié)果表明,OCHO能穩(wěn)定地與Bi中心協(xié)同。BiOOCHO在PZH-1和PZH-2中的鍵長(zhǎng)分別為2.59和2.62 ?,而對(duì)于PZH-1和PZH-2,由于Bi-OCOOH的距離分別為3.89和4.43,因此COOH離Bi中心較遠(yuǎn),主要是由于兩種Bi-MOF體系中含有豐富的配位羧基。因此,PZH-1和PZH-2體系對(duì)COOH*的吸附很弱,導(dǎo)致這兩種體系CO的產(chǎn)生量很低。
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根據(jù)PZH-1和PZH-2生成HCOOH反應(yīng)的自由能圖發(fā)現(xiàn),關(guān)鍵中間體OCHO*的形成是潛在的限制步驟。對(duì)比PZH-2,PZH-1形成OCHO*的自由能更小,為1.01eV,而PZH-2形成OCHO*需要2.25eV的高自由能。
因此,PZH-1比PZH-2更有利于HCOOH的形成。Bi中心的6p軌道可以進(jìn)一步將電荷賦給OCHO的C-O反鍵,從而激活OCHO,促進(jìn)*OCHO中間體在Bi中心的穩(wěn)定。PZH-1體系中的Bi-N配位有助于通過配體到金屬的電荷轉(zhuǎn)移激活CO2并穩(wěn)定關(guān)鍵中間體,促進(jìn)CO2還原為HCOOH。
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A Bismuth-Based Zeolitic Organic Framework with Coordination-Linked Metal Cages for Efficient Electrocatalytic CO2 Reduction to HCOOH. Angew. Chem. Int. Ed., 2023, DOI: 10.1002/anie.202311223.
7.?Nat. Commun.:首次報(bào)道,即創(chuàng)紀(jì)錄的FE!
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通過選擇性雙-電子轉(zhuǎn)移氧還原或水氧化反應(yīng)的電合成過氧化氫提供了一種更清潔,更經(jīng)濟(jì)的替代蒽醌工藝,但在高電流密度下實(shí)現(xiàn)高法拉第效率(FE)還是一個(gè)挑戰(zhàn)。
基于此,澳大利亞新南威爾士大學(xué)戴黎明院士和中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所Guntae Kim等人報(bào)道了富氧空位的缺氧Pr1.0Sr1.0Fe0.75Zn0.25O4-δ鈣鈦礦氧化物可很好地結(jié)合反應(yīng)中間體,促進(jìn)選擇性和高效的雙電子轉(zhuǎn)移途徑。該氧化物在寬電位范圍(0.05 ~ 0.45 V)和高離子強(qiáng)度下電流密度超過50 mA cm?2下表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原效率(~99%),在低過電位(0.39 V)下對(duì)雙電子轉(zhuǎn)移水氧化反應(yīng)具有高選擇性(~80%)。
此外,采用雙功能電催化劑的無膜電解槽,在2.10 V和50 mA cm-2下實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的163.0%的FE,首次報(bào)道在新型無膜電解槽中高效雙功能氧化物催化氧還原和水氧化,用于可擴(kuò)展的過氧化氫電合成。
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通過DFT計(jì)算,作者研究了D-PSFZ對(duì)H2O2生成的內(nèi)在活性。在ORR和WOR過程中Fe-O端面表面產(chǎn)生H2O2的反應(yīng)機(jī)理和反應(yīng)中間體,表明ORR和WOR的效率可以通過單個(gè)反應(yīng)中間體的能態(tài)(如ORR的HOO*和WOR的HO*)來熱力學(xué)評(píng)價(jià),分別以ΔGHOO*和ΔGHO*作為預(yù)測(cè)對(duì)2e-ORR和2e-WOR催化活性的參數(shù)。
在不含Zn的PSF中,ORR和WOR的極限電位分別為0.16/0.07 eV和1.98/2.14 eV。在B位點(diǎn)摻雜Zn和通過改變表面構(gòu)型引入Ov后,活性結(jié)果被正拓寬。因此,Zn和Fe原子都是ORR和WOR的活性位點(diǎn)。
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從ORR和WOR這兩個(gè)步驟的更替軌跡來看,對(duì)H2O2生成的競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)步驟是兩個(gè)反應(yīng)途徑中O*中間體的形成。對(duì)于生成H2O2的高選擇性表面,反應(yīng)中間體的形成應(yīng)有利于H2O2而不是O*。雖然ΔGHOO*和ΔGHO*可作為描述ORR或WOR的描述符,但ΔGO*更適合預(yù)測(cè)ORR和WOR中H2O2對(duì)O*形成的有利程度。
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Concurrent oxygen reduction and water oxidation at high ionic strength for scalable electrosynthesis of hydrogen peroxide. Nat. Commun., 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-41397-1.
8.?ACS Catal.:CuSA-ZnS增強(qiáng)光催化HER
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金屬-載體相互作用對(duì)金屬單原子錨定的影響及其光催化機(jī)理,有待于金屬硫化物光催化劑的進(jìn)一步研究。基于此,云南大學(xué)柳清菊教授和呂天平博士等人報(bào)道了通過Cu2+與不飽和原子的強(qiáng)相互作用以及空位的空間約束效應(yīng),在ZnS表面構(gòu)建Cu單原子(CuSAs)。在輻照下,固定在ZnS表面的CuSAs和具有Zn原子可以轉(zhuǎn)化為高活性的Znδ+和Cuδ+(1 < δ < 2)顯著提高了光催化析氫反應(yīng)(HER)性能。
計(jì)算+實(shí)驗(yàn)頂刊集錦:戴黎明、唐智勇、郭少軍、何靜、石峰等計(jì)算成果
通過DFT計(jì)算,作者研究了光活化的內(nèi)在原因。Cu1-at-VS結(jié)構(gòu)中的電荷偏向與Zn原子耦合的Cu原子,并且由于Cu-Zn的強(qiáng)耦合,Zn的2p軌道結(jié)合能增加。根據(jù)Bader電荷數(shù)據(jù),在原始ZnS和相同晶格上,規(guī)則S原子的電荷配位數(shù)大于+0.80,而Cu1-at-VZn局域結(jié)構(gòu)中的S原子的電荷配位數(shù)為+0.73,Cu原子的電荷配位數(shù)為-0.53。
因此Cu1-at-VZn的局部結(jié)構(gòu)仍處于配位不飽和狀態(tài),可作為光促電子捕獲位點(diǎn)參與光催化反應(yīng)。同樣,Cu1-at-VS結(jié)構(gòu)中的電荷偏向與Zn原子耦合的Cu原子,并且由于Cu-Zn的強(qiáng)局部結(jié)構(gòu)中的Zn和Cu原子也仍然是不飽和配位,可作為活性位參與光催化析氫反應(yīng)。
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Cu在Cu1-at-VZn構(gòu)型中的局部態(tài)密度(PDOS)是高度離域的,增加了相鄰S原子的電荷密度,而Cu在Cu1-at-VS構(gòu)型中的PDOS是高度局域的。
因此,Cu1-at-VS構(gòu)型捕獲的光促進(jìn)電子在Cu原子中富集(Cu原子得到電子并轉(zhuǎn)變?yōu)镃uδ+),而Zn原子不能被光激活為富電子態(tài)Znδ+。Cu1-atVZn結(jié)構(gòu)中的Cu由于其配位不飽和態(tài)而捕獲光促進(jìn)電子并轉(zhuǎn)化為富電子態(tài)Cuδ+。Cu1-at-VZn獨(dú)特的局部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致相鄰的Zn原子得到了足夠的光促進(jìn)電子,在照射下激活了CuSA-ZnS表面的本征Zn原子的催化活性,導(dǎo)致光活化現(xiàn)象。
計(jì)算+實(shí)驗(yàn)頂刊集錦:戴黎明、唐智勇、郭少軍、何靜、石峰等計(jì)算成果
Insights into the Interaction Effect of CuSA-ZnS for Enhancing the Photocatalytic Hydrogen Evolution. ACS Catal., 2023, DOI: 10.1021/acscatal.3c03018.

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