Mechanism of ozone adsorption and activation on B-, N-, P-, and Si-doped graphene: A DFT study

杂原子 催化作用 石墨烯 吸附 分解 化学 密度泛函理论 活化能 活性氧 屏障激活 氧气 化学工程 组合化学 材料科学 计算化学 纳米技术 物理化学 有机化学 戒指(化学) 工程类 生物化学
作者
Guangfei Yu,Yongbing Xie,Qingfeng Ge,Qin Dai,Jun Xu,Hongbin Cao
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:430: 133114-133114 被引量:42
标识
DOI:10.1016/j.cej.2021.133114
摘要

The detailed evolution mechanism of O3 into Reactive oxygen species (ROS) is of paramount importance but remains elusive in catalytic ozonation. Herein, we report a density functional theory study to comprehensively reveal the specific evolution processes of O3 into ROS on the B-, N-, P-, and Si-doped graphene, including the adsorption, decomposition and ROS generation. In contrast to some previous reports that O3 would directly decompose into effective ROS on catalysts, our results indicate that after O3 adsorption, the decomposition products are ground state O2 and the adsorbed oxygen species (Oads). The Oads is more likely to act as a crucial intermediate for generating other ROS instead of directly attacking the organics. The type of the ROS and generation efficiency vary with the doped heteroatoms, and the heteroatoms of B, P and Si, or the neighboring C of N, would serve as active sites for O3 adsorption and decomposition. The N- and P-doped graphene are predicted to have the superior performance in ROS generation and catalytic stability. Finally, twenty representative descriptors were adopted to build the quantitative structure–activity relationship (QSAR) with the activation energy barrier of O3 decomposition. The result indicates that condensed dual descriptor (CDD) could be useful for preliminarily selecting the modified graphene catalysts, since it shows a very good linear relation with the activation energy barrier. This contribution provides an alternative way to gain fundamental insights into the mechanism of catalytic ozonation at the molecular level, and could be helpful for designing more-efficient catalysts in environmental remediation.

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