ACS Nano: 通过掺杂剂诱导增强化学吸附和催化活性来控制纳米颗粒的形状:在铁基氨合成中的应用

雨辰

2020-12-24

在铁基纳米颗粒（NP）上进行氨合成以催化Haber-Bosch（HB）将N₂还原为氨的催化效率在很大程度上取决于所暴露的晶体表面和掺杂。反过来，每个表面的稳定性取决于催化过程中存在的稳定中间体。因此，在反应条件下，NP的形状有望演变以优化表面能。

有鉴于此，美国加州理工学院William A. Goddard III教授、Alessandro Fortunelli和美国内华达大学安琪教授等人，提出通过掺杂、化学吸附和催化等手段来控制纳米颗粒的形状。

本文要点

1）使用分层、高通量催化剂筛选(HHTCS)方法，但扩展了HHTCS的范围，以选择可以增加催化活性表面取向的掺杂剂，例如Fe-bcc（111），而牺牲了催化惰性表面，例如作为Fe-bcc（100）。然后，对于最有前途的掺杂剂，预测了在反应条件下掺杂铁基纳米颗粒的形状和活性。

2）考虑了催化剂组成（添加掺杂元素）与掺杂原子在本体和刻面位点上的分布如何影响颗粒形状以及催化剂表面活性位点数量之间的关系。检查了整个元素周期表中的34种可能的掺杂剂，发现了16种掺杂剂，它们可能会增加活性Fe-bcc（111）与非活性Fe-bcc（100）面的比例。

3）将这种重整标准与HHTCS对最终催化性能的估计相结合，表明Si和Ni是通过优化形状以减少反应势垒来提高催化速率的最有希望的元素。然后，以Si掺杂剂为工作实例，构建了Si掺杂Fe bcc纳米粒子的稳态动态Wulff结构。预测在目标HB条件下，以约0.3％的最佳原子含量将Si掺杂到此类Fe纳米颗粒中，可使纳米颗粒的速率提高56倍。

参考文献：

Qi An et al. Controlling the Shapes of Nanoparticles by Dopant-Induced Enhancement of Chemisorption and Catalytic Activity: Application to Fe-Based Ammonia Synthesis. ACS Nano, 2020.

DOI: 10.1021/acsnano.0c09346

https://doi.org/10.1021/acsnano.0c09346