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Aug 18, 2023

금속의 이론적 연구

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10439(2022) 이 기사 인용

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P 및 N 공동 도핑된 그래핀(x = 1, 2, 3 및 y = 0, 1, 2인 PNxCy-G)은 CO 산화 반응에 대한 P 및 N 원자의 시너지 효과로 그래핀 반응성을 향상시키도록 설계되었습니다. 그래핀에 대한 N 도펀트 농도의 영향에 초점을 맞췄습니다. 계산된 결과는 2개 또는 3개의 N에서 P로의 배위 증가가 표면에서 O2 분자로의 전하 이동을 촉진할 수 있음을 나타냅니다. 그러나 흡착된 O2 분자는 PN3-G 표면에서 분해되어 CO 산화 성능에 영향을 미칩니다. 또한, PN2C1-G는 0K에서 첫 번째 산화의 경우 0.26eV, 두 번째 산화의 경우 0.25eV의 속도 결정 단계로 CO 산화를 촉매하는 ER 메커니즘을 통해 CO 산화에 대한 탁월한 촉매 활성을 나타냅니다. 또한, Eley-Rideal 메커니즘을 통한 PN2C1-G의 촉매 산화는 실온(298.15K)에서 0.77eV의 속도 결정 단계로 발생하는 것을 선호합니다. 298.15 K에서의 반응 속도는 5.36 × 1016 mol s–1로 계산됩니다. 속도 상수는 조화 전이 상태 이론에 따라 얻어지며, 이는 실험에서 CO의 촉매 산화를 뒷받침할 수 있습니다.

일산화탄소(CO)는 잘 알려진 대기 오염물질입니다1. 일반적으로 CO 가스는 산업, 공장의 연소 과정, 휘발유 및 디젤 엔진의 불완전 연소 등에서 발생합니다. 중요한 것은 심장과 뇌에 해로운 CO를 흡입할 때 위험한 영향을 미친다는 것입니다. 따라서 환경안전을 위해서는 이러한 유독가스를 제거하는 것이 필수적이다. CO를 이산화탄소(CO2)로 전환하는 것은 불균일 촉매작용에서 바람직한 방법입니다. CO2는 지구 온난화를 일으키는 온실가스이지만 인간의 건강에는 해롭지 않습니다.

CO의 촉매 산화는 오염물질을 제어하는 ​​효율적인 촉매를 찾기 위해 연구되었습니다2,3. CO 산화 반응 경로에는 촉매 표면에 흡착된 산소(O2)에 의해 CO가 CO2로 직접 산화되는 과정이 포함됩니다4. 이전에는 CO 산화촉매 개발을 위해 Pt, Pd, Cu, Fe, Rh 및 Au와 같은 다양한 귀금속이 조사되었습니다5,6,7. 이러한 촉매는 CO 산화에 대해 매우 활성적입니다. 그러나 귀금속은 희귀하고 가격이 비쌉니다. 더욱이, 이들 금속 촉매는 일반적으로 높은 반응 온도에서 작동한다. 따라서 CO 산화 반응의 저온 작동을 위한 효율적이고 저렴한 촉매를 개발하는 것이 큰 관심을 끌고 있습니다. 금속이 없는 촉매는 촉매 산화 반응에서 높은 활성으로 인해 주목을 받고 있습니다.

CO 산화를 위한 금속이 없는 촉매를 찾기 위해 탄소나노튜브, 그래핀 등 다양한 종류의 탄소 기반 물질이 연구되어 왔습니다. 그래핀은 2차원 층 구조에서 파생되는 독특한 특성 때문에 흥미로운 물질입니다. sp2-혼성화된 탄소. 육각형을 형성하기 위해 sp2-혼성화된 탄소 원자를 사용하는 것은 그 중요한 물리적, 화학적 특성으로 인해 집중적인 연구의 초점입니다. 특히, 그래핀의 높은 표면적, 높은 화학적 안정성 및 뛰어난 전도성은 새로운 탄소-금속 나노복합체 촉매를 만드는 데 있어 금속 원자 및 클러스터를 위한 이상적인 지지체입니다8,9,10,11,12. 게다가, 그래핀의 공극 결함은 금속과 금속이 없는 촉매의 결합과 분산을 향상시킬 수 있습니다. 최근 연구에 따르면 결함이 있는 그래핀에 헤테로원자를 도핑하면 그 특성이 효과적으로 수정되고 촉매 응용 분야의 안정성이 향상되는 것으로 나타났습니다. 담지 금속 촉매와 비금속 촉매를 비교한 결과, 담지 금속은 금속 간의 강한 상호 작용으로 인해 실용적이고 높은 활성 특성을 나타냅니다. 지지 기판은 전하 재분배를 수정하고 촉매의 반응 성능에 영향을 미칩니다. 그러나 금속의 높은 표면 자유 에너지는 금속이 큰 클러스터로 형성되는 것을 촉진하며 이러한 응집은 촉매의 촉매 효율에 영향을 미칩니다. 따라서 그래핀 표면에 금속이 없는 원자를 치환적으로 도핑하는 것은 그래핀 시스템의 전자 분포를 조정하고 촉매 성능을 향상시키는 데 중요합니다. 또한 B, N, S 및 P16,17,18과 같은 금속이 없는 치환체를 특징으로 하는 화학적으로 변형된 그래핀이 보고되었습니다. 비금속 헤테로원자를 그래핀 격자에 통합하는 것은 특히 촉매 활성을 더욱 향상시키는 유망한 접근법입니다. 특히, N-도핑된 그래핀은 이론 및 실험 연구에서 상당한 주목을 받아왔다. N-도핑된 그래핀은 산소 환원 반응(ORR)을 위한 비귀금속 촉매입니다. 추가 전자가 그래핀에 도입되어 N-도핑을 통해 새로운 전자 특성을 부여합니다. 이전에 Chang et al.19은 BN과 PN 공동 도핑된 그래핀이 단일 도핑된 N-그래핀보다 O2를 감소시키는 더 큰 촉매 활성을 나타냄을 입증했습니다. 또한, 그래핀에 B와 P를 도핑하면 B와 N 원자 또는 P와 N 원자 사이의 상당한 전기음성도 차이로 인해 그래핀의 전기물리적 특성이 상당히 변형되며, 이러한 차이는 그래핀 표면의 이질성을 유발합니다. Liang et al.20은 또한 P와 N 공동 도핑된 그래핀이 단일 도핑에 비해 시너지 효과로 인해 O2를 감소시키는 촉매 능력을 향상시킨다고 보고했습니다. 우리가 아는 한, 단일 공석 P-임베디드 그래핀에 공동 도핑된 P 및 N에 대한 촉매 CO 산화 반응에 대한 실험적 또는 이론적 연구 보고서는 발표되지 않았습니다. 그러나 P와 N 도핑된 그래핀이 합성되어 ORR에 적용되었습니다. 이러한 공동 도핑 전략을 통해 그래핀 기반 무금속 촉매 작용이 CO 산화 반응에 효과적이게 됩니다. 이 연구의 초점은 O2에 의한 CO 산화에 대한 도핑된 P와 N 원자의 시너지 효과를 조사하고 P 주위에 N 원자를 통합하면 표면의 촉매 활성, 흡착 구성 및 전자 구조를 어떻게 향상시킬 수 있는지 밝히는 것입니다. P와 N 공동 도핑된 그래핀 위에. CO 산화 반응을 위한 단일 공석 P 내장 그래핀에 대한 N 도펀트 농도의 영향. 또한, CO 산화 반응에 대한 모든 가능한 반응 경로는 밀도 함수 이론(DFT)을 통해 조사됩니다.