突破电催化合成氨过程中吸附能之间线性依赖关系的理论研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21803036
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    27.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0301.化学理论与方法
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Electrochemical synthesis of ammonia is one of the most important means in artificial nitrogen fixation under mild conditions. To improve the performance of the electrocatalysts, one needs to increase the adsorption energies of N2 and N2H, and at the same time, weaken the adsorption of NH2. However, due to the intrinsic linear scaling relationship between adsorption energies, these values for N2, N2H, and NH2 tend to change in the same direction, and cannot be tuned independently. In this project, we are dedicated to exploring an effective way to break the linear correlation of adsorption energies in electrochemical nitrogen fixation, by using first-principles simulations. We focus on the adsorption energy of key adsorbates, such as N2, N2H, and NH2, on various metal alloy surfaces as well as interfaces composed of the surfaces and two-dimensional materials. Three strategies, i.e., binary metal alloying, confinement effect in real space, and dual adsorption sites, will be synergistically employed in breaking the linear scaling relations. Based on such exploration, interfacial catalytic systems, which are expected to exhibit excellent performance in electrocatalytic ammonia synthesis, will be designed, and their catalytic properties in the electrochemical environment will be investigated through theoretical simulations. This project will help to improve the electrocatalysts in electrochemical nitrogen fixation and will provide key guidelines for further experiments.
电化学合成氨是温和条件下人工固氮的重要手段之一。为提升该过程中电催化剂的性能,需要在增加N2和N2H吸附能的同时削弱NH2基团的吸附。然而,由于吸附能之间固有的线性相关关系的制约,N2、N2H及NH2的吸附能往往以相同的趋势发生变化而无法被独立地调节。本项目通过第一性原理的理论模拟,探索能够打破电化学固氮成氨反应中线性相关关系的有效途径。我们的研究着眼于N2、N2H及NH2等关键吸附物在金属合金表面、以及表面与二维材料所构成的界面体系的吸附性质,力图以“二元合金化”、“空间限域效应”及“双吸附位点”三种策略的协同配合实现对线性相关关系的突破。基于这一突破,我们将设计有望在电化学合成氨中展现优异催化性能的界面催化体系,并通过电化学环境下的理论模拟揭示该体系的催化效果。本项目的开展将为电化学固氮成氨催化剂的性能提升提供重要的理论指导。

结项摘要

电化学合成氨是温和条件下人工固氮的重要手段之一。为提升该过程中电催化剂的性能,需要在增加N2和N2H吸附能的同时削弱NH2基团的吸附,这就需要突破吸附能之间固有的线性依赖关系。本项目通过基于第一性原理的计算模拟,探讨了若干调控策略 - 尤其是空间限域效应 - 在突破吸附能之间线性相关关系中的表现,并将这些策略运用于电化学固氮成氨反应中。研究发现了一些能够有效降低该反应过电位的外部调控手段,尤其是,通过施加适当程度的拉伸应力,或通过两种二维材料的结合以构建限域空间,都能使氮还原反应的过电位表现出显著的降低,而这确实都来源于对吸附能之间线性相关关系的突破。此外,作为氮气分子的等电子体,本项目还研究了乙炔分子及其加氢反应中间体在限域空间内的吸附及反应势能面,并分别从静态和动态两个视角探讨了空间限域效应对吸附能及线性相关关系的影响。本项目的研究对于提升氨合成电催化剂的性能具有一定的指导意义,在提升乙炔加氢反应催化剂的选择性方面也提出了新的思路。

项目成果

期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Polyoxometalate-Based Metal-Organic Framework as Molecular Sieve for Highly Selective Semi-Hydrogenation of Acetylene on Isolated Single Pd Atom Sites
基于多金属氧酸盐的金属有机框架作为分子筛,用于在孤立的单 Pd 原子位点上进行乙炔的高选择性半氢化
  • DOI:
    10.1002/anie.202109538
  • 发表时间:
    2021-09-01
  • 期刊:
    ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Liu, Yiwei;Wang, Bingxue;Li, Yadong
  • 通讯作者:
    Li, Yadong
Spatial Confinement as an Effective Strategy for Improving the Catalytic Selectivity in Acetylene Hydrogenation
空间约束作为提高乙炔加氢催化选择性的有效策略
  • DOI:
    10.1021/acsami.0c12437
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    ACS Applied Materials & Interfaces
  • 影响因子:
    9.5
  • 作者:
    Qiang Fu;Fan Wu;Bingxue Wang;Yuxiang Bu;Claudia Draxl
  • 通讯作者:
    Claudia Draxl
Hybrid Organic-Inorganic Perovskites as Promising Substrates for Pt Single-Atom Catalysts
杂化有机-无机钙钛矿作为 Pt 单原子催化剂的有前途的基质
  • DOI:
    10.1103/physrevlett.122.046101
  • 发表时间:
    2019-02-01
  • 期刊:
    PHYSICAL REVIEW LETTERS
  • 影响因子:
    8.6
  • 作者:
    Fu, Qiang;Draxl, Claudia
  • 通讯作者:
    Draxl, Claudia
Dual-atom Pt heterogeneous catalyst with excellent catalytic performances for the selective hydrogenation and epoxidation.
具有优异催化性能的双原子 Pt 多相催化剂,用于选择性加氢和环氧化反应
  • DOI:
    10.1038/s41467-021-23517-x
  • 发表时间:
    2021-05-26
  • 期刊:
    Nature communications
  • 影响因子:
    16.6
  • 作者:
    Tian S;Wang B;Gong W;He Z;Xu Q;Chen W;Zhang Q;Zhu Y;Yang J;Fu Q;Chen C;Bu Y;Gu L;Sun X;Zhao H;Wang D;Li Y
  • 通讯作者:
    Li Y
Regulating the Catalytic Performance of a Dual-Atom Iron Species Deposited on Graphitic Carbon Nitride for Electrochemical Nitrogen Reduction
调控石墨碳氮化物上沉积的双原子铁物种电化学氮还原的催化性能
  • DOI:
    10.1021/acs.jpcc.1c02397
  • 发表时间:
    2021-07
  • 期刊:
    The Journal of Physical Chemistry C
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Bingxue Wang;Shan Huang;Lisheng Yang;Qiang Fu;Yuxiang Bu
  • 通讯作者:
    Yuxiang Bu

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  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • DOI:
    10.13522/j.cnki.ggps.2017.05.018
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
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  • 作者:
    姜秋香;赵蚰竹;王子龙;付强;周智美;王天
  • 通讯作者:
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  • 发表时间:
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  • 作者:
    朱荣生;邢树兵;付强;李天斌;王秀礼
  • 通讯作者:
    王秀礼

其他文献

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混合型经济结构中的增长实现机制与技术进步变动研究:基于嵌入型政府竞争框架
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  • 项目类别:
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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