含硼二维材料合成氨机制的理论研究

作     者：王佳 

作者单位：西安工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何朝政

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：电催化 氮气还原反应 MBenes 合成氨 单原子催化 密度泛函理论 

摘      要：氨是人类工业生产和农业生活中至关重要的原料之一,伴随着社会的迅速发展,人类对于氨的需求也急速增加。目前工业上制氨主要采用Haber-Bosch工艺,这一过程需要消耗大量的化石燃料以获得高温高压的反应环境,这导致合成氨工业对环境造成了严重的污染。而能源和环境问题这些年越来越严峻,中国作为工业大国,长期以来注重环境保护,在习主席提出“碳达峰、碳中和之后,使用更加清洁环保的能源以减少碳排放更显重要。因此,寻求更加清洁、环保的方式合成氨具有更加重要的价值。目前,氮气还原合成氨(NRR)是最热门的研究方向之一,其采用氮气和水资源作为反应物,利用清洁能源产生的电能提供动力实现合成氨,这被认为是具备广阔前景的制氨方式之一,因而在这些年中取得了长足的发展。然而,截至目前电催化合成氨依然难以实现大规模的工业应用,主要由于反应所使用的催化剂难以达到高活性和高选择性两方面的要求。而近些年二维材料的迅速发展,使其在催化、储能等多个领域展现出广泛的应用前景。基于此,本文从电催化合成氨中最重要的催化剂着手,通过密度泛函理论(DFT)探索了二维含硼材料在电催化合成氨方面的应用,深入探讨了二维含硼材料催化N和NO合成氨的反应机制,研究了电催化反应过程,筛选出高效的催化剂。主要分为以下几个方面:(1)在第一个工作中,我们以二维(2D)Mo B作为催化剂,探索了活化N并合成氨的可行性。通过从过渡金属硼化物Mo Al B中剥离Al原子,我们得到了2D Mo B结构,在其表面的不同位置分别吸附了N分子,发现N分子不仅能够被有效活化,而且随着配位的Mo原子数量变化,N分子的吸附角度和活化程度也随之变化。随后我们研究了不同吸附构型的N分子氢化合成氨的反应过程,其中当氮气分子与两个Mo原子配位时,N分子倾斜吸附在2D Mo B表面,其合成氨的限速势只有0.50 e V,并且,此时的HER限速势达到0.57 e V,这说明2D Mo B能有效促进NRR反应而抑制析氢反应(HER)反应。因此,在常温常压的环境条件下,2D Mo B是电催化还原N的有效催化剂。(2)基于上述工作,我们认为二维过渡金属硼化物(MBenes)应用于电催化合成氨具有很高的可行性,考虑到N极强的N≡N键难以活化。因此,我们采用了NO作为氮源,通过理论计算研究了MBenes(Cr B,Mn B,Mo B,Hf B,和WB)用于一氧化氮电催化合成氨的可行性。在这些材料的表面,所有NO均倾向于以侧向构型吸附在其表面。随后探索了活化NO分子通过联合及解离途径加氢生成NH的过程。联合和解离路径下,所需的最低过电位分别为0.00和0.37 e V,这些过程分别发生在Mn B和WB表面。这一结果明显优于N合成氨的结果。(3)考虑到实际生产中,MBenes表面结构并不是绝对完美的,在这一章,我们构建了含有过渡金属缺陷的d-MBenes作为催化剂,研究了在催化剂表面N和NO共存的情况。d-MBenes的高催化活性使得NO分子能够直接发生解离,产生的孤立O原子在催化剂表面能够促进N分子的解离,并在随后的合成氨过程中使得合成氨的限速步骤发生改变,限速势降低。这一工作表明O原子的共存对于促进N解离和降低氮气合成氨限速势具有良好的促进作用。(4)单原子催化剂是近些年来电催化合成氨的研究热点,其能够提升催化剂的利用率,提高产氨效率。在这一章,我们构建了过渡金属单原子嵌入h-BN的单原子催化剂模型,结合前面研究中NO分子高活性的特点,我们研究了采用NO作为氮源在其表面合成氨的可行性。通过理论计算对M@BN上的一氧化氮还原反应(NORR)过程进行了研究,并讨论了最佳吸附构型的所有可能的反应路径。对于NORR反应过程,Pd@BN展现出最好的催化活性,并且整个反应按照*NO→*NOH→*HNOH→*NH→*NH→*NH路径进行,相对应的限速势仅仅有0.55 e V。这一结果对于探索新型合成氨方式指明了道路,不仅能够实现产氨,而且能够有效降低环境污染,具有重要应用价值。