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北師大ACS Catal.:理論計(jì)算揭示反應(yīng)機(jī)理:Pd13@TiO2界面處將CO2光催化還原為CH4

北師大ACS Catal.:理論計(jì)算揭示反應(yīng)機(jī)理:Pd13@TiO2界面處將CO2光催化還原為CH4
將CO2催化轉(zhuǎn)化為增值太陽能燃料是解決能源危機(jī)和全球變暖的有希望的解決方案。最近的實(shí)驗(yàn)研究表明,TiO2表面負(fù)載的Pd納米顆粒對CO2轉(zhuǎn)化具有優(yōu)異的光催化性能,但其反應(yīng)機(jī)制仍然未探究清楚。
基于此,北京師范大學(xué)崔剛龍Xiaoying Xie等利用周期性密度泛函理論(HSE06和PBE + U)計(jì)算探索了在負(fù)載在TiO2表面上Pd13(Pd13@TiO2)光催化CO2還原為CH4的機(jī)制。
北師大ACS Catal.:理論計(jì)算揭示反應(yīng)機(jī)理:Pd13@TiO2界面處將CO2光催化還原為CH4
北師大ACS Catal.:理論計(jì)算揭示反應(yīng)機(jī)理:Pd13@TiO2界面處將CO2光催化還原為CH4
Bader和電荷差異分析都表明,在Pd13簇和TiO2載體之間的界面處存在顯著的電荷轉(zhuǎn)移,從Pd13轉(zhuǎn)移到TiO2。此外,光照射后電子被激發(fā)到TiO2的導(dǎo)帶,隨后會部分弛豫到Pd13的導(dǎo)帶,因?yàn)楹笳叩哪芰康陀谇罢撸@有利于通過減輕光生載流子的輻射和非輻射復(fù)合來提高復(fù)合材料的光催化性能。根據(jù)目前的計(jì)算和分析,CO2分子更傾向于吸附在界面而不是Pd13簇或TiO2表面,這表明復(fù)合材料界面的重要性。
北師大ACS Catal.:理論計(jì)算揭示反應(yīng)機(jī)理:Pd13@TiO2界面處將CO2光催化還原為CH4
Pd13和TiO2之間的相互作用促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移到吸附在界面處的CO2,從而產(chǎn)生CO2陰離子,因此,CO2還原反應(yīng)的基本過程,即CO2的活化是在光照前完成的;只有吸附在Pd13@TiO2界面的CO物種可以還原成CH4,而那些吸附在Pd13上的CO無法進(jìn)一步還原。
因此,構(gòu)建Pd@TiO2復(fù)合材料可以有效提高CO2光催化活性。目前的第一性原理計(jì)算表明,界面誘導(dǎo)的CO2活化和進(jìn)一步的CO加氫過程是由Pd納米顆粒和TiO2表面之間形成的界面介導(dǎo)的,這可能指導(dǎo)CO2光催化劑的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。
Photocatalytic Reduction of Carbon Dioxide to Methane at the Pd-Supported TiO2 Interface: Mechanistic Insights from Theoretical Studies. ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.2c01519

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