Chromium Single-Atom Catalyst with Graphyne Support: A Theoretical Study of NO Oxidation and Reduction

催化作用 石墨 化学 氧化还原 分子 Atom(片上系统) 过渡金属 选择性催化还原 金属 反应机理 密度泛函理论 光化学 物理化学 无机化学 计算化学 有机化学 计算机科学 嵌入式系统
作者
Shamraiz Hussain Talib,Sajjad Hussain,Sambath Baskaran,Zhansheng Lu,Jun Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:10 (20): 11951-11961 被引量:70
标识
DOI:10.1021/acscatal.0c01175
摘要

Catalytic mechanisms and bonding analysis of NO oxidation and reduction on Cr single-atom catalysts (SAC) dispersed on the graphyne (GY) surface have been systematically investigated using the first-principles theoretical methods. GY is a decent support for isolated transition-metal (TM) atom catalysts because the most active sp-hybridized carbon atoms exist on the GY surface. All the single TM atoms are trapped into the void of the GY surface and existed in the isolated form. The molecular geometries and adsorbate binding energies of NO@TM–GY, ON@TM–GY, and O2@TM–GY configurations are determined. We find that the Cr–GY is the most promising SAC for NO oxidation and reduction compared with the other TM-SACs. Herein, we report an efficient NO oxidation and reduction catalyzed by Cr–GY at ambient temperature. We find that Cr–GY SAC is very reactive for NO oxidation and reduction at ambient temperatures with low activation barriers to the rate-determining steps for Eley–Rideal (0.87, 0.60, and 0.62 eV) and Langmuir–Hinshelwood (0.69, 0.62, and 0.84 eV) mechanisms. The Termolecular Eley–Rideal mechanism for the formation of the NO2 molecule is not thermodynamically favorable. Comparative analysis revealed that the NO reduction (0.62 eV) is more favorable than NO oxidation (0.84 eV). These findings provide valuable perceptions for design of highly efficient and selective heterogeneous SACs for NO oxidation and reduction with TMs.
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