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【VASP計算】?Mater. Horiz.：磁電催化劑Cr2CO2-MXene促進(jìn)氮還原制氨

氨（NH₃）在化學(xué)、環(huán)境、能源等方面發(fā)揮著重要作用，但氨的合成嚴(yán)重依賴Haber-Bosch工藝，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源消耗。其中，利用電催化將氮（N₂）轉(zhuǎn)化為NH3是一種清潔有效的合成氨的方法。

基于此，武漢理工大學(xué)李能教授等人報道了具有四種磁性（非磁性、鐵磁性、層間反鐵磁性、層內(nèi)反鐵磁性）的Cr₂CO₂-MXene，通過DFT計算來探索它們的電催化性能。通過對比4種不同磁性Cr₂CO₂-MXene表面N₂分子的氮還原極限勢，以及析HER和氮還原反應(yīng)（NRR）的選擇性計算，篩選出具有反鐵磁間序（Inter-AFM）的Cr₂CO₂-MXene可成為一種優(yōu)良的Inter-AFM的NRR催化劑。

VASP解讀

對于全反應(yīng)路徑，勢壘的增加是第一步質(zhì)子化加氫和生成N₂脫附的吸熱反應(yīng)的主要焦點(diǎn)。由于遠(yuǎn)端機(jī)制和交替機(jī)制都有N₂分子垂直吸附在Cr₂CO₂表面，反應(yīng)決策步驟相同，因此只顯示了遠(yuǎn)端機(jī)制和酶促機(jī)制的吉布斯自由能勢壘。對于四種磁性的Cr₂CO₂表面的N₂還原過程，酶促機(jī)制的決定性步驟電位始終低于遠(yuǎn)端機(jī)制，即N₂分子水平吸附在Cr₂CO₂表面時反應(yīng)更有利。

對于NM磁性的Cr₂CO₂，遠(yuǎn)端機(jī)制的決定性步驟是N₂的第一次質(zhì)子化過程，極限電位為-0.52 V。而酶促機(jī)制的第一個質(zhì)子化過程為放熱過程，無需額外驅(qū)動力即可自發(fā)進(jìn)行，后續(xù)反應(yīng)過程的極限電位僅為-0.26 V。在FM和In-AFM磁序下，Cr₂CO₂表面的N₂還原需要更高的極限電位。Inter-AFM磁序Cr₂CO₂的eNRR活性非常優(yōu)異，酶促機(jī)制的極限電位僅為-0.18 V。對比不同磁序下Cr₂CO₂表面的N₂還原極限電位，發(fā)現(xiàn)磁序?qū)₂分子活化有顯著影響。

The novel magneto-electrocatalyst Cr₂CO₂-MXene for boosting nitrogen reduction to ammonia. Mater. Horiz., 2024, DOI: https://doi.org/10.1039/D3MH01945D.

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