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東南王金蘭/南郵牛相宏ACS Catal.: 抽絲剝繭：探究可見(jiàn)光激發(fā)下氧空位N2活化機(jī)理

具有許多表面氧空位(OV)的氧化物半導(dǎo)體，如Bi基氧化物或?qū)訝铍p氫氧化物，是具有前景的人工N₂固定光催化劑候選者。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，它們的帶邊還原電位根本不滿(mǎn)足固氮要求。觸發(fā)光催化NH₃合成反應(yīng)的機(jī)制仍不清楚。

近日，東南大學(xué)王金蘭和南京郵電大學(xué)牛相宏等以BiOBr和OV (BiOBr-OV)為原型，利用密度泛函理論(DFT)結(jié)合非絕熱分子動(dòng)力學(xué) (NAMD)，揭示了一種新的光催化N₂活化機(jī)制。

研究人員發(fā)現(xiàn)OV誘導(dǎo)的缺陷態(tài)不僅拓寬了可見(jiàn)光吸收，而且還作為跳板，為光生電子提供了很強(qiáng)的還原性。通過(guò)在弛豫過(guò)程中捕獲光生電子，*N₂有機(jī)會(huì)形成瞬態(tài)*N₂?^–。

雖然不穩(wěn)定瞬態(tài)*N₂?^–在8 fs左右將光生電子迅速衰減回BiOBr-OV，高能電子正向和反向轉(zhuǎn)移過(guò)程實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移并將大量活化能沉積到*N₂中，最終形成*N₂振動(dòng)激發(fā)態(tài)。

高度活化狀態(tài)(~1355 cm^-1)的振動(dòng)頻率與先前使用原位漫反射傅里葉變換紅外光譜 (DRFTIRS)表明，上述程將大量能量沉積到*N₂中并急劇降低帶邊下方*N₂的π*軌道，從而使得*N₂在帶邊捕獲光生電子并觸發(fā)隨后的NH₃合成。

這一機(jī)制可以很好地解釋光催化劑沒(méi)有足夠的帶邊還原電位，N₂只是物理吸附時(shí)為什么在可見(jiàn)光下氨合成可以順利進(jìn)行。

Photocatalytic Ammonia Synthesis: Mechanistic Insights into N₂ Activation at Oxygen Vacancies under Visible Light Excitation. ACS Catalysis, 2021. DOI: 10.1021/acscatal.1c03407

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/18/a4a486d39f/

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