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开云优惠体育网页版入口名称：缺陷碳纳米管限域过渡金属M(M=Fe,Co,Ni)的理论研究

开云优惠体育网页版入口完成单位：河西学院

开云优惠体育网页版入口完成人：王清云;佟永纯;徐新建;闫盆吉;白庆玲;陈尧玉;杨蕊清

所属行业：科学研究和技术服务业

开云优惠体育网页版入口登记号：9622022J0157

开云优惠体育网页版入口简介：

① 课题来源与背景
碳纳米管表面性质对负载在其内壁上金属颗粒的催化活性的影响成为催化化学中一个重要的研究领域，而限域的金属对碳纳米管表面活性的调控效应更具有独特性。理解和调控碳纳米管金属复合物催化活性和活性位点的分布，对拓展新型催化机制有着重要的意义，并可为设计高效便宜的催化剂提供理论指导。
Tavasoli等人发现限域在纳米管内的Rh-Mn金属比外部的同类金属具有更高的转化效率。大连物理化学研究所的包信和院士课题组最近创新性的提出了“铠甲催化”的概念。他们利用在豆荚型碳纳米管腔中封装Fe、Co、FeCo等纳米颗粒，观测到金属颗粒可以通过活化碳纳米管表面来完成氧气还原、水分解制氢、染料敏化电极反应等，并且这类催化剂表现出了类比贵金属Pt催化剂甚至更为优异的催化性能。在这一体系中，碳纳米管的包裹作用阻断了催化剂颗粒与反应气体的直接接触，也从根本上避免了催化颗粒直接与酸环境、氧气或含硫腐蚀物的接触，解决了一直困扰金属催化剂稳定性的难题。这为设计其它工业化学反应的高效催化剂提供了实验思路。
最近，实验表明碳纳米管负载Fe，Co，Ni具有良好的催化活性，但是却很容易受到反应环境的影响而降低其催化活性，那么当Fe，Co，Ni限域到碳纳米管中催化效果会受到怎样的影响？同时，碳纳米管在形成过程中不可避免的会形成一些缺陷，这些缺陷的存在对于限域金属的催化活性又会产生怎样的影响？到目前为止，虽然已经有大量的关于金属限域催化剂的实验探索，但是理论的研究比较少，而且人们也迫切希望从理论上找到限域对金属催化剂催化活性的影响。因此，本项目采用密度泛函理论详细的研究缺陷碳纳米管限域下的Fe，Co，Ni催化剂催化活性的变化。
② 研究目的与意义
研究目标：
碳纳米管（CNT）由于其奇特的类一维结构和优异的电磁力学性质，已成为目前物理和化学工作者关注的研究热点，并被成功应用到了纳米电子器件、药物输运、储能、气体传感、场发射等领域。金属颗粒在纳米管表面的聚合、形变、以及周围环境的侵蚀等不稳定因素成为困扰这些催化剂大规模应用的主要障碍。因此我们主要研究将Fe、Co、Ni金属催化剂放入到CNT的空腔中，研究限域空间内金属催化剂的物理化学性质以及催化性能等变化。
意义：
理解在纳米限域环境下，金属颗粒活化未经修饰或修饰的碳纳米管表面的机制，筛选对常见化工反应（氧气还原、非对称氢化、水分解、氨气降解或合成反应等）高效的此类催化剂，为实验和工程科学合理设计高效、稳定性好的新型催化剂提供有价值的理论依据及设计思路。
③ 主要论点与论据
1）研究金属Fe、Co、Ni在缺陷碳纳米管内外的吸附情况，并与完美碳纳米管的进行对比，发现缺陷对于限域金属催化剂，不仅提高了催化剂的活性，而且提高了催化剂的稳定性。
2）限域过渡金属Fe催化剂对于不同的小分子的选择性是不一样，可以作为小分子气体检测器，也为设计多功能金属催化剂提供更多的选择。
④ 创见与创新
目前关于纳米管限域金属的催化性质分析主要在实验中尝试完成，实验周期往往很长，也需要牵扯很大的物力财力。我们采用理论计算方法拟筛选出对常见化工反应呈现出高活性、高稳定性的纳米管限域的催化剂材料，为实验和化工科学家提供坚实的理论基础。
⑤ 社会经济效益，存在的问题
社会经济效益：
本课题立足于当前社会开发可持续能源体系的大背景下，属于国际上活跃的
研究领域。采用计算机模拟手段在进行试验之前通过理论手段预先评估各类新型催化剂的可能催化效率对缩短催化剂设计周期是至关重要的，并且对理解和调节新型纳米管金属复合物催化活性和活性位点的分布，拓展新型催化机制有着重要的意义，并可为设计高效便宜的催化剂提供理论指导。
存在问题：
近两年来，在我们的努力下，项目建设取得了良好的开云优惠体育网页版入口。通过大量的理论研究得出很多有意义的结论，并为相关实验探索提供了一定的指导和帮助。但是实用性有限，由于缺陷模型选择有限，针对实际生产中众多缺陷的出现，我们只能依据现有的结论进行推测和类比。
⑥ 开云优惠体育网页版入口简介
单原子限域在碳纳米管内外的研究已经引起了各领域人们的关注。这类材料不仅可以作为催化剂，还可以作为某些反应的载体材料。本课题利用密度泛函理论（DFT）研究了Fe、Co、Ni在单壁碳纳米管（SWCNT）、单空位缺陷（SV）和Stone-Wale缺陷（SW）碳纳米管内外的吸附结构及活性。结果表明，Fe、Co、Ni原子在SWCNT、SV和SW内外表面的结合能力按金属顺序为：Ni>Co>Fe。一般来说，外部吸附结构的稳定性强于内部吸附结构，但对于SW，内部和外部吸附结构的稳定性接近，这意味着缺陷改善了碳纳米管对M（M=Fe，Co-Ni）的限制。同时，课题组进一步研究了金属Fe限域在B掺杂碳纳米管内的催化剂对CO、O2、H2O催化活性的影响。B-CNT对CO、O2、H2O几乎不吸附，而限域Fe后的B-CNT对CO、O2、H2O的吸附性能大幅提高。通过这些研究，对提高金属催化剂活性、金属颗粒对功能性分子的敏感性和稳定性起到重要的指导作用，为设计新型碳纳米管基金属催化剂提供理论依据。