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?北化所ACS Catal.: 利用理論計算系統(tǒng)研究三原子金屬簇對N2的吸附和解離行為

催化N₂還原合成氨一直是研究的熱點。簇改性催化劑由于其高活性和最大的協(xié)同效應，被認為是氮活化的有希望的候選催化劑。然而，目前金屬團簇本身的性質還沒有被完全揭示，這阻礙了高效氨合成催化劑的設計和進一步發(fā)展。

基于此，中科院化學研究所駱智訓課題組采用自旋極化密度泛函理論(DFT)計算，系統(tǒng)地研究了第三和第四周期元素(即M₃原子團簇，M=Sc到Zn，Y到Cd)中所有20種過渡金屬的三原子金屬團簇對N₂的吸附和解離行為。

根據(jù)對N₂吸附和解離活性，研究人員將過渡金屬分為三類:

1.N₂解離可以在TM_I金屬(Sc₃，Ti₃，V₃，Y₃，Zr₃和Nb₃)的M₃上自發(fā)發(fā)生；

2.在TM_II金屬簇(Cr₃，Mn₃，F(xiàn)e₃，Co₃，Mo₃，Tc₃，Ru₃和Rh₃)上需要克服明顯的活化能壘；

3.在TM_III-M₃簇(即Ni₃，Cu₃，Zn₃，Pd₃，Ag₃和Cd₃₎上無法被活化。

此外，從M₃團簇到N₂的反鍵2π*軌道的顯著電荷轉移誘導了一個新形成的dπ*帶，這個dπ*帶與被削弱的N-N帶有關。

基于上述結果，研究人員研究了七種典型的M₃團簇，包括Sc₃，V₃，Cr₃，Y₃，Nb₃，Mo₃和Ru₃對N₂還原為氨的催化活性。結果表明，加氫步驟和NH₃解吸也會影響氨合成效率；考慮到N₂還原為氨的所有三個關鍵過程(N₂解離，加氫和NH₃解吸)，TM_I中的四個M₃簇(Y₃，Sc₃，Zr₃和Nb₃)被認為是催化氮還原為氨的理想候選物。

此外，研究石墨烯負載團簇(Y₃/G和Nb₃/G)上的氮還原反應，進一步證明了M₃簇的優(yōu)越活性。這項工作提供了對三原子金屬團簇平衡催化效率的深入了解，并為在溫和條件下合理設計低成本的新型固氮作用催化劑提供了指導。

On the Nature of Three-Atom Metal Cluster Catalysis for N₂ Reduction to Ammonia. ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.2c04146

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