物理化学学报 >> 2021, Vol. 37 >> Issue (8): 2007086.doi: 10.3866/PKU.WHXB202007086
所属专题: 二维光催化材料
收稿日期:
2020-07-28
录用日期:
2020-08-28
发布日期:
2020-08-31
通讯作者:
敖志敏
E-mail:zhimin.ao@gdut.edu.cn
基金资助:
Junhui Zhou, Zhimin Ao(), Taicheng An
Received:
2020-07-28
Accepted:
2020-08-28
Published:
2020-08-31
Contact:
Zhimin Ao
E-mail:zhimin.ao@gdut.edu.cn
About author:
Zhimin Ao, Email: zhimin.ao@gdut.edu.cnSupported by:
摘要:
解析工业脱硫气中硫化氢与催化剂的相互作用机制及其分解机理对于开发处理H2S气体的催化剂具有重要意义。本研究采用密度泛函理论计算方法研究了H2S分子在单原子催化剂(SACs,Ti和V原子负载的单层MXene-Ti2CO2)表面上的吸附和催化解离行为。分波态密度(PDOS)、电荷分析以及差分电荷密度的结果表明:单原子Ti和V的负载导致了Ti2CO2表面上的电荷进行重新分配,并且显著改善了H2S分子与Ti2CO2之间的相互作用,从而提高SACs的催化活性。为了深入理解硫化氢分子的催化处理过程及其分解机理(H2S → HS* + H* → H2 + S*),本研究对硫化氢分子在Ti/Ti2CO2和V/Ti2CO2表面上的分解反应路径进行了对比分析。结果表明:硫化氢分子在被Ti和V负载的Ti2CO2表面上都能够自动解离形成-HS基团和一个质子(HS*/H*),而且在V负载的Ti2CO2的SACs上,整条路径的速率限制步骤所要跨越的能垒低至0.28 eV,该结果表明H2S分子可在室温下能容易地被单原子催化剂V/Ti2CO2解离成H2分子和S原子,而且S原子能够在该催化剂表面团聚形成稳定的单质硫,从而完成催化循环。此外,使用该SACs催化剂分解H2S,相比于已经报道过的其它体系的催化剂,无论是在可持续经济角度还是处理能力方面都有较好的应用前景。综上所述,我们发现V负载的Ti2CO2催化剂能够高效催化分解硫化氢气体。
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表1
3种过渡金属在单层Ti2CO2表面上不同修饰位点上的结合能(eV)、Hirshfeld电荷分布(|e|)、单原子的内聚能(eV)以及电负性(eV)"
Metal | Eb | Hirshfeld charge | Cohesive energy | Electronegativity | |||||
Site 1 | Site 2 | Site 3 | Site 1 | Site 2 | Site 3 | ||||
Ti | -6.990 | -6.276 | -6.278 | +0.650 | +0.690 | +0.710 | -4.850 | 3.460 | |
V | -5.384 | -4.644 | -4.644 | +0.530 | +0.580 | +0.580 | -5.310 | 3.640 | |
Cr | -3.878 | -2.947 | -2.741 | +0.610 | +0.630 | +0.600 | -4.100 | 3.720 |
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