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?清華ACS Catal.: 原位光譜+理論計算！揭示甲苯催化氧化中氧空位的作用和活性

在揮發性有機化合物(VOCs)催化氧化中，CeO₂等金屬氧化物催化劑有望取代目前使用的貴金屬催化劑。雖然氧空位被認為是這些新型催化劑去除揮發性有機化合物(VOC，如甲苯)的活性中心，但由于其在反應過程中的動態變化仍不清楚，這影響了對其實際功能和活性的理解。與此同時，由于氧空位涉及活性氧物種的產生-消耗循環，這阻礙了對速率決定步驟中氧物種吸附的研究。

基于此，清華大學李俊華課題組合成了不同氧空位濃度的CeO₂基催化劑，通過晶格拉伸應變和鈷摻雜誘導的電子缺陷來增強甲苯氧化并研究其機理。

從原子結構和電子調制的實驗表征和第一性原理計算可以看出，鈷的摻雜會引起晶格拉伸應變和電子缺陷，從而導致結構缺陷和氧空位的形成。此外，鈷摻雜劑在CeO₂中是高度分散的，但當摻雜比例增加到15%時會不可避免地會發生相分離，從而導致實際摻雜量和氧空位含量下降。因此，10%鈷摻雜的CeO₂具有最豐富的活性氧物種，在甲苯氧化中具有最佳的催化性能。

根據氧空位和氧物種變化的直接證據，除了表面再生外，氧空位還有助于活性氧物種在催化劑表面儲存和擴散，這種機制可以在需要時提供額外的氧物種作為暫時的補充。同時，在甲苯催化氧化過程中，氧空位的活性不足，而鈷的摻雜可以促進其活性并加速除芳香環開口外的關鍵速率控制步驟。

因此，基于氧空位的作用研究結果，可以從活性調節的角度為污染物去除提供一個有效的催化劑設計策略。同時，在未來的研究中，如提高d帶中心、減小帶隙、誘導自旋不對稱等，帶結構的調控值得更多的關注。

Probing the Actual Role and Activity of Oxygen Vacancies in Toluene Catalytic Oxidation: Evidence from In Situ XPS/NEXAFS and DFT + U Calculation. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c00333

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