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ACS Appl. Nano Mater.：納米氧化銦上單原子鋅催化甲烷和二氧化碳到乙酸的計(jì)算化學(xué)研究

隨著大氣中二氧化碳濃度的逐年升高，全球氣候變暖和海水酸化愈發(fā)嚴(yán)重。因此，二氧化碳的捕獲和利用是重要的課題。同樣，甲烷也是一種溫室氣體。將甲烷和二氧化碳作為原料來合成高附加值的化學(xué)品將是降低二氧化碳濃度和利用甲烷的重要途徑。將甲烷和二氧化碳合成乙酸從理論上可以實(shí)現(xiàn)100%的原子利用率。當(dāng)然了，直接將甲烷和二氧化碳轉(zhuǎn)化為乙酸的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性都很低，這主要是由于甲烷和二氧化碳的化學(xué)惰性。本文中設(shè)計(jì)了一種含有氧空位的氧化銦納米的催化劑，負(fù)載上單原子鋅來催化該化學(xué)反應(yīng)。

催化劑的結(jié)構(gòu)：

通過計(jì)算化學(xué)研究催化劑表面甲烷的活化：

態(tài)密度的計(jì)算：

計(jì)算化學(xué)給出的催化劑表面的催化循環(huán)示意圖：

通過理論計(jì)算研究表明，利用甲烷和二氧化碳直接合成乙酸的C-C偶聯(lián)反應(yīng)可以通過氧化銦負(fù)載的單原子鋅催化劑來驅(qū)動(dòng)。Zn-O結(jié)構(gòu)是甲烷活化的催化反應(yīng)位點(diǎn)，催化劑表面的氧空位有利于活化二氧化碳。催化劑表面的C-C偶聯(lián)反應(yīng)遵循Langmuir?Hinshelwood 機(jī)理。

Computational Study of Zn Single-Atom Catalysts on In2O3 Nanomaterials for Direct Synthesis of Acetic Acid from CH4 and CO2.?ACS Appl. Nano Mater. 2022, 5, 10015?10025

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