ChemCatChem：第一性原理设计适用于乙烷脱氢制乙烯反应的高活性、高选择性V2CO2基双原子催化剂

本文利用密度泛函理论(DFT)为电催化制乙烯设计出理想的Rh₂@V₂CO₂双原子催化剂(DACs)，通过以甲烷为探针分子考察单原子催化剂(SACs)对C-H键的活化情况筛选出活性中心从而构建DACs。

乙烯是化学工业中的一种基础材料，主要用于生产合成纤维、橡胶和塑料。传统的乙烷裂解法制乙烯工艺存在选择性低、环境污染大和能源消耗高等问题。电化学乙烷脱氢制乙烯反应（EDH：C₂H₆ = C₂H₄ + 2H⁺ + 2e^-）是一种潜在可以替代传统乙烷裂解的方法，它可以在低温下进行，能减少环境污染和能源消耗。但是由于惰性C-H键的存在，EDH存在着动力学缓慢的问题。因此，设计一种具有良好稳定性、活性和选择性的EDH电催化剂是特别有意义的。

目前， SACs因其优越的催化性能和最大的原子利用率而被广泛应用于电催化领域。由于烷烃脱氢涉及多步骤的脱氢中间反应，单个活性中心很难同时破坏多个独立的C-H键。为了克服这个困难，引入另一个活性点来活化中间产物是一个解决方案。与SACs相比， DACs提供了更多的活性位点，而且原子间的协同作用可以使反应障碍降到最低。然而，大多数设计DACs是利用决速步的反应势垒作为描述符来测试大量催化剂从而筛选出理想的DACs。对于理论计算，模型原子数越多所需的计算资源越多，故这种方法效率不高。

基于DFT计算，重庆大学王煜教授团队通过考察SACs对甲烷C-H键的活化趋势而建立了活化趋势图，甲烷是考察C-H活化趋势最简单的探针分子。然后通过筛选出的理想活性元素进而构建DACs，这种方法大大降低了传统筛选机制所需的计算成本。之后通过考察所构建DACs的稳定性与活性，从而确定了一种理想的催化剂（Rh₂@V₂CO₂），其理论反应势垒很低超越了大部分已报道的文献(C₂H₆*到C₂H₅*反应势垒为0.64eV，C₂H₅*到C₂H₄*反应势垒为0.63eV)。本研究不仅为电催化乙烷脱氢制乙烯构建了一种理想的电催化剂，并为之后设计DACs提供了一种新的思路。

论文信息

First-Principles Design of a Highly Active and Selective V₂CO₂-Based Double-Atom Catalyst for Ethane Dehydrogenation to Ethylene

Dr. Jin Wan, Dr. Yanwei Wang, Prof. Huijuan Zhang, Prof. Yu Wang

ChemCatChem

DOI: 10.1002/cctc.202200834

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