原始石墨烯被廣泛認(rèn)為是化學(xué)惰性的，但最近的實(shí)驗(yàn)研究表明，它可以在溫和條件下提供用于活化H
2的阻礙路易斯對(duì)（FLPs）。使用密度泛函理論（DFT）和從頭計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)（AIMD）計(jì)算，我們?cè)谶@項(xiàng)工作中探索了原始石墨烯中的波紋對(duì)FLPs的形成以及由此觀察到的催化活性的可能性。我們的DFT結(jié)果表明，H
2活化的容易程度與石墨烯的波紋程度成正比。對(duì)于波紋石墨烯，兩個(gè)催化對(duì)位碳位點(diǎn)沿反應(yīng)坐標(biāo)顯示出瞬態(tài)路易斯酸/堿性質(zhì)的明顯跡象，這是FLPs的先決條件。此外，兩個(gè)解離的H原子攜帶相反的電荷，表明H
2的異裂活化。室溫下的AIMD模擬證實(shí)了這一行為，這表明波紋石墨烯的波動(dòng)導(dǎo)致具有不同距離和不同電荷的C位點(diǎn)。這些觀察結(jié)果為使用均相二維材料的FLP催化劑的實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果和可能的設(shè)計(jì)原則提供了合理化。
圖1.在系統(tǒng)達(dá)到NVT平衡和平均厚度（虛線(xiàn)）平衡后的最后1 ps內(nèi)，平面和波紋Gr.（a）厚度演變（實(shí)線(xiàn)）的波動(dòng)。（b） NVT平衡后優(yōu)化波紋Gr中C–C對(duì)的徑向分布函數(shù)。（c） NVT模擬后2×2優(yōu)化Gr-s（s=1.00至0.95）的樣品結(jié)構(gòu)，根據(jù)原子的z坐標(biāo)（高度）著色。
圖2.平面Gr.上的H
2解離（a）Gr上的不同催化位點(diǎn)由附近碳位點(diǎn)的黑色虛線(xiàn)圓圈和藍(lán)色虛線(xiàn)圓圈表示的任意碳組成，表示為對(duì)位、間位或鄰位碳。（b） 相應(yīng)的能量屏障和FS結(jié)構(gòu)。顏色代碼：灰色，碳；綠色、氫。
圖3.波紋Gr.（a）電荷分布Gr-0.95（俯視圖）中的電子和催化性質(zhì)，其中電荷用頂部刻度進(jìn)行顏色編碼。（b） e/Bohr中Gr-0.95（側(cè)視圖）的f+（r）、f–（r）和Δf（r）的橫截面輪廓。（3） （c）Gr-0.95催化的乙炔氫化的能量分布。顏色方案：c，灰色；H、 綠色。（d） 副位（C1，C2）和兩個(gè)H（H1，H2）在Gr-0.95上的H2解離中從IS到TS的更差電荷演化。反應(yīng)坐標(biāo)中的1和4分別對(duì)應(yīng)于IS和TS，而2和3對(duì)應(yīng)于IS與TS之間的活化H–H物種。（e）波紋Gr的厚度與比例因子以及H2活化的相應(yīng)能量勢(shì)壘之間的相關(guān)性。
圖4.沿反應(yīng)坐標(biāo)的動(dòng)力學(xué)。（a）Gr-1.00和（b）Gr-0.95催化的H
2解離沿CV的H–H和C–C距離的演變。自由能的最高點(diǎn)（TS）用灰色虛線(xiàn)標(biāo)記。配色方案：C，灰色；H、 綠色。（c） H
2解離過(guò)程中Gr（s從0.95到1.00）的厚度演變。（d） 在Gr-0.95催化的H2解離過(guò)程中，Q
C1和Q
C2之間的電荷差（Q
C1–Q
C2）以及Q
H1和Q
H2的電荷積（Q
H1×Q
H2）。Q
H1×-Q
H2的負(fù)值表示兩種H的電荷狀態(tài)相反，而正值表示相同的電荷狀態(tài)。
相關(guān)研究成果由福州大學(xué)Sen Lin等人2022年發(fā)表在ACS Catalysis (https://doi.org/10.1021/acscatal.2c04894)上。原文：Corrugation-Induced Active Sites on Pristine Graphene for H2 Activation。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
