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石墨烯限域调控Fe原子的电子性质和CO活化机理
罗丹, 王建欣, 路宽, 王敏, 畅通
高等学校化学学报    2026, 47 (2): 20250299-.   DOI:10.7503/cjcu20250299
摘要   (96 HTML1 PDF(pc) (3635KB)(64)  

基于密度泛函理论(DFT), 研究了缺陷石墨烯限域调控Fe原子的结构、 电子性质、 CO吸附和活化性能, 揭示了Fe原子不同配位环境对费托活化性能的影响. 结果显示, Fe掺杂单原子缺陷石墨烯(FeC@graphene)和Fe掺杂二原子缺陷石墨烯(Fe2C@graphene)的结合能分别为-7.49和-6.50 eV, 表明FeC@graphene的结构更稳定. 由于FeC@graphene的态密度(DOS)向左偏移值大于Fe2C@graphene(1.5 eV> 0.8 eV), FeC@graphene结构的能量更低, 所以结构更稳定. CO在FeC@graphene和Fe2C@graphene的吸附能分别为-1.43和-1.69 eV, 表明CO更稳定地吸附在Fe2C@graphene上. FeC@graphene和Fe2C@graphene的d带中心值分别为-1.26和-0.83 eV; 能带带隙分别为0.45和0.01 eV, d带中心越接近费米能级, 带隙越小, 越有利于物种吸附, 所以CO更容易吸附在Fe2C@graphene上. Fe2C@graphene-CO带隙增加0.25 eV, 而FeC@graphene-CO带隙降低0.04 eV; FeC@graphene-CO和Fe2C@graphene-CO的集成晶体轨道哈密顿布居(ICOHP)值分别为-1.99和-2.50 eV, 表明Fe2C@graphene与CO之间的相互作用更强, 而强相互作用不利于CO活化. 在FeC@graphene和Fe2C@graphene结构中, CO活化的最佳路径为CO* → CHO* → CH* + O*, 有效能垒分别为2.53和3.50 eV, CO在FeC@graphene上更容易活化. 因此, 活性中心Fe原子的三配位结构更稳定且有利于提高费托活性.



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Fig.3 Work function(WF) of FeC@graphene(A) and Fe2C@graphene(B)
EV: vacuum level; EF: Fermi level.
正文中引用本图/表的段落
功函数作为电子从材料表面逸出的能垒, 与材料性能相关. Hyungtak等[34]研究发现, 在WO3中 掺杂稀土金属Y, 能够降低功函数, 从而增强光电化学活性. Fe3+掺杂的Bi2MoO6高效光催化剂, 有 效降低催化剂的表面功函数, 提高了光催化固氮性能[35]. 如图3(A)和(B)所示, FeC@graphene和Fe2C@graphene的功函数分别为3.77和 4.37 eV. 石墨烯的功函数为4.49 eV[36], 铁原子掺杂缺陷石墨烯, 能够降低功函数. 金属因失去电子而活化, 电子在金属中束缚越强, 功函数越大, 电子越难以从金属中逸出, 导致活化性能降低. FeC@graphene的功函数低于Fe2C@graphene, Fe2C@graphene的活化性能可能低于FeC@graphene.
在FeC@graphene和Fe2C@graphene催化剂上, CO的H助解离结构如图S3和 图S4(见本文支持信息)所示, 反应的能垒和反应热列于表S2(见本文支持信息).
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