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Angew. Chem. :调控分子亚轨道耦合机制实现催化反应中间体的动态吸附

催化火山图为新型催化剂的设计提供了重要指导,但它也将催化反应的活性限制在了火山图的顶峰。为了突破这一限制,可以利用活性位点的多样性来调控反应中间体的吸附能。以电催化氮气还原反应为例,本文提出了一种动态吸附机制,即通过调整反应中间体的分子亚轨道与催化剂轨道的耦合机制来实现活性位点的转移,从而实现多个反应中间体的吸附能调控。

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金属间化合物具有长程有序的原子结构与丰富的表面活性位点,有利于实现动态吸附机制。利用对中间体吸附能较强的Nb与吸附能较弱的Ni元素进行合金化来制备NbNi3,可以形成配位效应,从而使表面活性位点表现出不同的吸附性质。其中,由于Ni的含量较高,表面的Nb原子被孤立开来,使得吸附的氮气分子受到拉应力的作用,有效的弱化氮氮三键。此外,由于金属原子与氮气分子的电子轨道具有良好的对称性,形成了稳定的杂化轨道,使得电子可以大量进入氮气分子,从而实现氮气分子的活化。

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对于完整的氮气还原反应而言,反应中间体通过调整与催化剂的结合方式来实现最佳的电子轨道耦合方式,从而优化活性位点对它的吸附能。因此,反应过程的自由能变化较低,整个催化反应可以顺利进行。通过进一步的亚轨道片段分析,发现了反应中间体的吸附能与轨道耦合能之间存在线性关系,这说明动态吸附机制是通过活性位点动态调整轨道耦合方式来实现的。该工作为多基元步骤的催化反应提供了一种新的材料设计方案,同时也拓展了领域内对电子轨道调控的认识。

文信息

Achieving a Thermodynamic Self-Regulation Dynamic Adsorption Mechanism for Ammonia Synthesis through Selective Orbital Coupling

Dr. Tian-Yi Dai, Dr. Hang Shi, Prof. Tong-Hui Wang, Prof. Xing-You Lang, Prof. Qing Jiang


Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202418035    

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