键能轨道配位数描述过渡金属及过渡金属氧化物电催化性能的理论研究

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过渡金属和过渡金属氧化物的多相催化反应由催化位点上的化学吸附决定,由此表现出不同的催化活性和选择性。揭示不同活性位点的化学吸附性质对于解释催化机理和设计最佳催化剂至关重要。然而,目前仍然缺乏简单有效的理论模型来描述吸附性质,限制了对活性位点的探索。因此,本文提出了键能轨道配位数描述符,可以精确描述吸附能进而识别活性位点。该描述符简单有效准确,可以避免耗时复杂的计算。具体的研究结果和创新性如下:(1)从二阶矩阵和原子轨道线性组合模型出发,建立了键能轨道配位数描述符。该描述符与催化反应吸附中间体存在强线性关系,优于之前的理论描述符cn、?C??N?和CN以及d-band中心理论。描述符既考虑了催化剂表面活性位点和配位原子的键能,也考虑了活性位点和吸附质之间的轨道重叠相互作用。从费米黄金定律出发,通过一定的近似,从而揭示了键能轨道配位数内在的物理本质。(2)键能轨道配位数((?))用于过渡金属氧化物催化剂,综合考虑了活性位点s和d轨道与配位原子键能作用。(?)-火山图表明,-MnO2催化剂上,(?)=5.74,展现出最佳的氧电催化性能。(?)-火山图的理论结果与实验结果相互验证,表明该描述符的正确性。(3)键能轨道配位数((?))用于过渡金属催化剂,考虑了活性位点d轨道与配位原子键能作用,可以用于设计最佳的CRR和CMOR催化剂。该描述符表明理想Au催化剂上CRR催化反应,(?)=6.10,具有最低的过电势0.3V。理论预测的结果与实验结果相互吻合,且在其他催化剂上具有理论普遍性。(4)键能轨道配位数可以统一用于过渡金属和过渡金属氧化物。该描述符可以有效的区分表面活性位点的催化活性和选择性。该描述符具有理论普遍性,可以被扩展到其他催化反应上。此通用键能轨道配位数描述符,可以深入了解应力、空位和暴露面对催化性能的影响。如此简单精确的描述符,为快速预测以及设计催化剂,提供了一种可能。最后,该理论描述符的研究,为多相催化理论发展开辟了一条新路径。
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