C24N24负载Sc单原子催化剂催化甲烷氧化为甲醇的理论计算

作者：汪曼; 王军凯^*; 黄珍霞; 葛英豪; 黄起焓

来源：原子与分子物理学报, 2023, 40(04): 23-28.

DOI：10.19855/j.1000-0364.2023.041003

• 甲烷氧化
• C24N24富勒烯
• DFT
• 单原子催化剂

甲醇是一种很有前途的清洁能源，有望替代不可再生的石油能源.因此，将储量巨大，但不易运输的甲烷氧化为甲醇具有十分重要的意义.首先通过密度泛函理论(density functional theory, DFT)计算研究了Sc原子与C24N24之间的稳定性.结果表明，Sc原子与C24N24的结合能(-9.064 eV)小于Sc原子的内聚能(-4.518 eV),即Sc@C24N24具有良好的稳定性.在此基础上，进一步研究了甲烷在Sc@C24N24表面催化氧化制备甲醇的工艺过程，以N2O为氧化剂在Sc@C24N24单原子上进行甲醇的催化氧化反应.结果表明：N2O首先吸附在Sc@C24N24上，然后直接分解为N2和Oads.N2被释放，只有Oads被吸附于Sc@C24N24作为活性氧，用于后续催化甲烷氧化制甲醇过程.甲烷的氧化过程包括两个步骤：(1)CH4+Oads→CH3*+OH*,反应势垒为0.43 eV;) CH3*+OH*→CH3OH,反应势垒为0.63 eV.最后，生成的CH3OH分子将离开Sc@C24N24单原子催化剂表面，这一步所需的能量分别为1.29 eV.这些发现为甲醇的催化氧化反应提供了理论指导，Sc@C24N24有望成为催化甲烷制备甲醇的高效单原子催化剂.

• 单位
  化学化工学院; 河南理工大学