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摘要
人类活动和工业生产导致全球氮循环严重失衡,对生命系统的健康造成了一定威胁.因此,开发高效、环保的NOx脱除技术具有重要意义.其中,电化学硝酸盐还原反应（eNO3RR）是反向人工氮循环的重要组成部分,同时也被认为是一种非集成式合成氨（NH3）的可行途径.NH3是生产肥料的重要原料之一,传统哈伯法（H-B）合成氨能耗高,且会排放大量温室气体CO2,由可再生电力驱动的电催化氮气还原（eNRR）合成氨被认为是一条更环保和可持续的路线.目前,一些研究表明电催化硝酸盐还原具有比eNRR更高的产氨活性和选择性.然而,一个主要的挑战是在低过电位下产物的选择性,即亚硝酸盐（HNO2）和NH3之间的竞争.本文选择了六个具有MN4单元的石墨烯负载的过渡金属单原子催化剂（SACs）作为模型,通过密度泛函理论（DFT）计算研究eNO3RR机理.采用本课题组开发的反应相图分析（RPD）方法从全局热力学最优的角度构建了六个MN4催化剂的二维准活性和选择性相图,其中FeN4催化剂展示出较高的准活性和适当的选择性.DFT计算结果表明,产生HNO2和NH3的最优路径共享一个关键中间体（NO2*）,其吸附结构和在后续转化中的偏好决定了产物选择性.结合电势相关性动力学势垒计算和微观动力学模拟结果,动力学研究表明,理论上两种产物不同电压下的法拉第效率（FE）趋势会发生反转,与FeN4催化剂上实验测得的HNO2和NH3的FE趋势和反转电压吻合,这归因于两个重要的基元步骤（R4:NO2*-→cisHNO2*和R7:NO2*→HNO2+*）具有不同的电荷转移系数（β）,前者（R4）具有更大的电荷转移系数,使得生成NH3的动力学能垒随电压的降低而下降得更快,这就把NH3从低过电势下的低选择性到高过电势下的高选择性归因到动力学问题,较好地理解了两种产物的FE发生发转的原因.最后,从电子结构方面对R4和R7两个关键基元步骤的初态和过渡态进行了电子局域化函数和晶体轨道哈密顿布居分析.综上,理论计算的机理研究很好地解释实验观察的结果,其机理方面的理解对于将来理性设计高效的eNO3RR合成NH3催化剂具有一定的指导意义.
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