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Science子刊：基于光和電雙響應(yīng)的MOFs，闡明單金屬位點(diǎn)和簇在CO2還原中的作用

將CO₂光還原或電還原成高價(jià)值產(chǎn)品是實(shí)現(xiàn)碳中和的一個(gè)很有希望的戰(zhàn)略。基于此，華南師范大學(xué)蘭亞乾教授（通訊作者）等人報(bào)道了利用金屬卟啉[四（4-羧基苯基）卟啉-M（M-TCPPs）]和用于光催化和電催化CO₂還原的還原性POM（分別為PCR和ECR），構(gòu)建了一系列基于多金屬氧酸鹽的金屬有機(jī)框架（M-POMOFs），并揭示了單金屬位點(diǎn)和簇在催化中的作用之間。Fe-POMOF表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性（97.2%），在PCR中甲烷產(chǎn)量高達(dá)922 μmol/g，在ECR中CO₂轉(zhuǎn)化為CO的法拉第效率（FE）高達(dá)92.1%。

通過(guò)DFT計(jì)算，作者研究了Fe-POMOF的光還原和電還原過(guò)程。在PCR反應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)最高和最低的占據(jù)分子軌道（HOMO和LUMO）分別位于Fe-TCPP和POM簇中。結(jié)果表明，POM簇可以作為光還原的活性位點(diǎn)。

作者還計(jì)算了POM在-0.88 V臨界電位下的自由能圖（PED）。其中，第二步（*COOH→*CO/*HCOOH）是確定CO₂還原產(chǎn)物的關(guān)鍵過(guò)程。由于ΔG^CH4₂（-0.484 eV）＜ΔG^CO₂（-0.404 eV），可以推斷POM在光催化過(guò)程中優(yōu)先選擇CH₄途徑而不是CO途徑。

由于POM是光催化的活性位點(diǎn)，因此CH₄是光還原的主要產(chǎn)物。由于*COOH在M-TCPP上的吸附比在POM上更強(qiáng)，因此POM仍應(yīng)是CO₂RR的催化活性位點(diǎn)，且每種金屬的催化活性差異不大。

Fe-POMOF在所有金屬中具有最小的LUMO-HOMO間隙，同時(shí)實(shí)驗(yàn)還表明Fe-POMOFs的能隙是最小的，因此Fe的光吸收效率高于其他金屬。Bader電荷分析表明，F(xiàn)e-TCPP與POM混合時(shí)，在所有金屬中具有較大的電荷（-0.72），導(dǎo)致POM中更高的LUMO水平，從而增加過(guò)電位，進(jìn)而增加CO₂RR的活性效率。

Demystifying the roles of single metal site and cluster in CO₂ reduction via light and electric dual-responsive polyoxometalate-based metal-organic frameworks. Sci. Adv., 2022, DOI: 10.1126/sciadv.add5598.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add5598.

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Science子刊：基于光和電雙響應(yīng)的MOFs，闡明單金屬位點(diǎn)和簇在CO2還原中的作用

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