【摘要】 本文利用密度泛函理论(DFT)设计了不同结构的Ru/石墨烯(Gr)材料，并对其结构进行了优化。

作为世界上产量最高的工业化学品之一，氨是生产化肥必不可少的原料。传统的氨合成是哈伯-博施法，它是在高温、高压和催化条件下进行的。恶劣的反应条件使得这一过程每年消耗全球约1.4%的能源[1]，因此，更高的化石能源需求和更大的二氧化碳排放激励研究人员研究替代生产路线。其中，氨的电化学合成因其反应条件温和，以及可再生能源提供的能量而成为近年来的研究热点

 

寻找合适的催化剂材料是氮还原反应(nRR)的主要挑战，常用的催化剂有贵金属催化剂[2]，过渡金属催化剂和无金属催化剂。钌基催化剂作为一种高活性的贵金属催化剂，在氨收率和选择性方面表现出良好的性能。然而，由于钌资源稀缺，价格昂贵，其在催化NRR的应用受到很大限制。

 

理论研究和计算模型在预测高活性和选择性催化材料方面起着关键作用，为催化剂制备提供了重要的参考价值。Back等[3]利用理论计算研究了Ru催化剂上NRR生成氨的机理以及过程中可能的解离步骤。Liu等发现，通过密度泛函理论(dFT)计算，单个Ru原子包埋的硼单分子层具有突出的NRR催化活性，并且反应途径优先选择ΔGmax=0.42eV的远端机制，其小于平面Ru(0001)催化剂(1.08eV)报道的一半。

 

本文利用密度泛函理论(DFT)设计了不同结构的Ru/石墨烯(Gr)材料，并对其结构进行了优化。根据N2的吸附自由能、NRR的活性和反应途径等一系列数据，选择了高活性和高选择性的催化剂。它避免了大量的实验探索，为今后NRR催化剂的制备提供了一定的理论指导。

 

  • J. van der Ham, M.T. Koper, D.G. Hetterscheid, Challenges in reduction of dinitrogen by proton and electron transfer, Chem. Soc. Rev., 43 (2014), pp. 5183-5191
  • Zhao, C. Yao, H. Chen, Y. Fu, C. Xiang, S. He, X. Zhou, H. Zhang, In situ nano Au triggered by a metal boron organic polymer: efficient electrochemical N2 fixation to NH3 under ambient conditions, J. Mater. Chem. A, 7 (2019), pp. 20945-20951
  • J. Back, Y., On the mechanism of electrochemical ammonia synthesis on the Ru catalyst, Phys Chem Chem Phys, 18 (2016) 9161-9166.

 

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