二维碳材料应用于电催化合成尿素：第一性原理研究

作     者：迟淋元 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋青

授予年度：2024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] 

主      题：密度泛函理论 尿素合成反应 电催化 二维材料催化剂 异质结构催化剂 

摘      要：尿素是多种化工产品的重要组成部分,工业上首先需要由Haber-Bosch法合成氨（NH3）,再将合成的NH3与CO2在高温高压下合成尿素,不仅消耗大量的清洁能源（天然气）,而且会导致严重的二氧化碳排放。因此在室温环境下将含氮化合物（NO3-、NO2-、NO2、NO）与二氧化碳（CO2）电催化合成为尿素[CO（NH2）2]是一个很有价值的研究方向,它可以跳过氨气的生产阶段在室温环境下直接合成尿素,有希望成为替代工业合成尿素的可持续的方法。然而,复杂的合成机制与较低的合成效率成为目前最大的挑战。 为了解决上述问题,本论文用密度泛函理论（Density functional theory,DFT）的研究方法,探究了石墨炔（GDY）负载Fe2Mo形成三原子催化剂以及Zn-Cu异质结构负载在类石墨相氮化碳（g-C3N4）上的尿素合成反应活性。具体研究内容如下: （1）由于原始的GDY并不具有催化活性,但是其具有优良的导电性能和较大的孔隙,这使得具有良好催化性能的过渡金属原子可以很容易的负载在GDY上来提高整体的稳定性以及催化性能。由此,我们探究了以N2为氮源,GDY负载过渡金属元素形成三原子催化剂电催化合成尿素的性能。结果表明,Fe2Mo@GDY具有最佳的电催化合成尿素的性能,其限制电位为-0.30 V ***（Reversible hydrogen electrode）、C-N偶联能垒为0.34 e V。GDY保证了结构的稳定性并给予了良好的导电性能,Fe与Mo的协同作用提高了电催化合成尿素的活性。 （2）异质结构催化剂由于其具有更多的活性位点、更好的电子转移以及与反应物更大的接触面积具有良好的催化性能。Cu与Zn均为良好的硝酸还原反应、CO2还原反应的催化活性位点,而以NO3-/NO2-为氮源的电催化合成尿素反应过程涉这两种反应。因此,我们设计了负载在g-C3N4上形成Zn-Cu二维横向异质结构催化剂,探究了其性能。结果表明,Zn-Cu@g-C3N4具有良好的催化性能并且C-N偶联步骤自然发生,其理论限制电位为-0.36 V ***。