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大化所/福大Nat. Catal.：Ru1/NC實(shí)現(xiàn)高效丙烷脫氫制丙烯

單原子催化劑（SACs）不僅具有均勻金屬活性位點(diǎn)，而且具有選擇性控制的潛力。然而，它們?cè)诟邷乇槊摎渲械膽?yīng)用仍具有挑戰(zhàn)性。

基于此，中科院大連化學(xué)物理研究所王曉東研究員、王愛琴研究員和林堅(jiān)研究員、福州大學(xué)林森教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種氮摻雜碳（NC）負(fù)載Ru單原子的高穩(wěn)定、高效率的丙烷（C₃H₈）脫氫催化劑（Ru₁/NC）。Ru₁/NC的周轉(zhuǎn)頻率比納米顆粒的周轉(zhuǎn)頻率至少高3倍，在560 ℃時(shí)丙烯選擇性約為92%，失活率較低。

通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算，作者考慮了協(xié)調(diào)N物種對(duì)Ru₁穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。隨著N配位數(shù)的增加，Ru₁中心的形成能明顯降低，其中RuN₃C和RuN₄模型在熱力學(xué)上更穩(wěn)定。結(jié)果表明，在Ru₁/NC催化劑上，殼內(nèi)N的配位對(duì)Ru₁中心的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。

此外，作者評(píng)估了具有Ru₁位點(diǎn)的RuN₃C-13和RuN₄-14對(duì)PDH反應(yīng)的反應(yīng)活性，其中DFT計(jì)算得到RuN₃C-13和RuN₄-14第一脫氫步驟（CH₃CH₂CH₃*→CH₃CHCH₃* + H*）的自由能勢(shì)壘分別為1.061 eV和1.357 eV。

在過渡態(tài)下，兩種體系斷裂C(β)-H鍵的長(zhǎng)度分別為1.483和1.599 ?，形成C(β)-Ru鍵的距離分別為2.339和2.352 ?。對(duì)于第二個(gè)脫氫步驟（CH₃CHCH₃* + H*→CH₃CHCH₂* + 2H*），計(jì)算得到的自由能勢(shì)壘要低得多（RuN₃C-13為0.701 eV, RuN₄-14為0.444 eV），表明第一個(gè)脫氫步驟是丙烷轉(zhuǎn)化速率的決定因素。

Peripheral-nitrogen effects on the Ru₁ centre for highly efficient propane dehydrogenation. Nat. Catal., 2022, DOI: 10.1038/s41929-022-00885-1.

https://doi.org/10.1038/s41929-022-00885-1.

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