TiO2表面光催化固氮反应机理的理论研究和更高效催化剂的筛选

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21903016
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0301.化学理论与方法
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Ammonia is an indispensable material for the production of fertilizers and other products. The industrial synthesis of ammonia by the Haber-Bosch method requires a huge amount of energy and emits enormous carbon dioxide, which in turn exacerbates the growing energy and environmental problems. It is urgent to find a sustainable green way to synthesize ammonia. In recent years, photocatalytic nitrogen fixation has attracted increasing attention. Among the photocatalysts studied, TiO2 not only exhibits high nitrogen fixation activity and selectivity, but also has the advantages of stability, non-toxicity and abundant reserves. In addition, its activity can be greatly enhanced by transition metal doping. Therefore, it is a promising photocatalytic nitrogen-fixing material. However, limited by characterization techniques, the existing experimental results still cannot provide an understanding of the reaction at the fundamental level. This seriously hampers the design of more efficient catalysts and the application of photocatalytic nitrogen fixation technology. By first-principles calculation, the applicant will provide the mechanism of the reaction at the atomic scale on the surfaces of TiO2; reveal the structure-activity relationship of the catalyst; clarify the influence of the dopant atom on the activity of TiO2; screen out transition metal doped TiO2 with higher nitrogen-fixation activity through the study of the scaling relation of the intermediates. The project is important for guiding further theoretical and experimental research.
氨是生产化肥等产品不可缺少的原料。工业上通过Haber-Bosch方法合成氨,需要消耗大量的能量,并排放大量的二氧化碳,进而加剧日益严重的能源与环境问题。寻找绿色的可持续方法合成氨刻不容缓。近年来,光催化固氮受到越来越多的重视。在众多被研究的光催化剂中,TiO2不仅表现出很强的固氮活性和选择性,还具有稳定,无毒,储量丰富等优点。并且它的活性还可通过过渡金属掺杂大幅提高。因而是一个很有应有前景的光催化固氮材料。不过受表征手段的限制,现有的实验结果还无法提供对该反应根本层面的理解。这严重阻碍了更高效催化剂的设计和光催化固氮技术的应用。申请人将通过第一性原理的计算,提供TiO2表面上该反应原子尺度的机理,揭示催化剂构效关系,阐明掺杂原子对TiO2活性的影响,并通过反应中间物标度关系的研究,筛选出固氮活性更高的过渡金属掺杂的TiO2。该项目对指导进一步的理论和实验研究有重要意义.

结项摘要

TiO2是很有应用前景的固氮催化剂。目前的研究存在反应机理不明,Fe掺杂元素作用不清,催化剂性能不高等问题。本项目通过研究anatase相和rutile相不同晶面上的氮气还原反应(NRR)机理,揭示了表面氧空位是反应的最佳活性位点,且anatase相TiO2(101)表面的固氮活性最高。在对Fe掺杂的作用的研究中,本项目系统的研究了anatase相和rutile相TiO2不同表面共24种不同类型的Fe位点固氮活性,发现Fe位点并未展现出更高的催化活性,因此在实验中Fe可能通过间接方式提高TiO2固氮性能。最后,本项目筛选了过渡金属掺杂的anatase相TiO2。揭示了每种元素的掺杂位点,发现掺杂可以促进氧空位的形成。通过标度关系的分析,得到反应活性火山图并筛选出了若干个过渡金属掺杂的高效固氮的TiO2的催化剂。本项目的研究成果,有助于解释现有的实验现象,并为设计更高效TiO2基固氮催化剂提供理论指导。

项目成果

期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Nitrogen-doped graphdiyne for efficient electrocatalytic N2 reduction: A first-principles study
氮掺杂石墨炔用于高效电催化 N2 还原:第一原理研究
  • DOI:
    10.1016/j.apsusc.2021.151109
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Applied Surface Science
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Gang Wang;Weiquan Cai;Ting Fan;Yongfei Ji
  • 通讯作者:
    Yongfei Ji
First‐Principles Study on the Molecular Mechanism of Solar‐Driven CO2 Reduction on H‐Terminated Si
太阳能驱动H端硅CO2还原的第一性原理研究
  • DOI:
    10.1002/cssc.202000338
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    ChemSusChem
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Yongfei Ji;Gang Wang;Ting Fan;Yi Luo
  • 通讯作者:
    Yi Luo
First-principles study on the mechanism of photocatalytic reduction of nitrobenzene on the rutile TiO2(110) surface
金红石TiO2(110)表面光催化还原硝基苯机理的第一性原理研究
  • DOI:
    10.1039/c9cp05010h
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    The Royal Society of Chemistry
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Yongfei Ji;Ting Fan;Yi Luo
  • 通讯作者:
    Yi Luo
Size-Dependent Activity and Selectivity of Atomic-Level Copper Nanoclusters during CO/CO2 Electroreduction
CO/CO2 电还原过程中原子级铜纳米团簇的尺寸依赖性活性和选择性
  • DOI:
    10.1002/anie.202011836
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Angewandte Chemie International Edition
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Weifeng Rong;Haiyuan Zou;Wenjie Zang;Shibo Xi;Shuting Wei;Baihua Long;Junhui Hu;Yongfei Ji;Lele Duan
  • 通讯作者:
    Lele Duan
Unifying the Nitrogen Reduction Activity of Anatase and Rutile TiO2 Surfaces
统一锐钛矿型和金红石型 TiO2 表面的氮还原活性
  • DOI:
    10.1002/cphc.202200653
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    ChemPhysChem
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Yongfei Ji;Paiyong Liu;Ting Fan
  • 通讯作者:
    Ting Fan

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其他文献

Unraveling the Impact of Electrochemically Created Oxygen Vacancies on the Performance of ZnO Nanowire Photoanodes
揭示电化学产生的氧空位对 ZnO 纳米线光电阳极性能的影响
  • DOI:
    10.1021/acssuschemeng.9b05442
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    ACS Sustainable Chem. Eng.
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    段世芳;纪永飞;王伟;韩东方;王昊宇;韦秋钰;李春凤;贾菲;韩冬雪;牛利;秦冬冬;陶春兰
  • 通讯作者:
    陶春兰

其他文献

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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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