由于在水分子的吸附和解離作用下，活性位點(diǎn)封閉，濕空氣中用于CO氧化的催化劑的降解是一個普遍的問題。為了評估濕度對CO氧化的影響，使用第一性原理計算研究了空氣中常見氣體分子（CO、O
2、H
2O和N
2）在單個Ni嵌入雙空位石墨烯（Ni-DG）上的吸附和解離。發(fā)現(xiàn)所有分子保持其分子狀態(tài)，并且CO的吸附能遠(yuǎn)大于其他分子。此外，CO分子可以用小的能量壘來充分替代預(yù)吸附的O
2、H
2O和N
2分子，表明在潮濕環(huán)境中Ni-DG的活性位不會被水分子所阻擋。Ni-DG上最多可以化學(xué)吸附兩個CO分子，這表明新的分子式Eley-Rideal（TER）機(jī)理是首選，并且限速步驟（2CO+O
2/OCOOCO）的能壘僅為0.34 eV。Hirshfeld電荷分析表明，電荷從O
2-2p*軌道轉(zhuǎn)移到CO-2p*軌道通過TER機(jī)理在CO氧化中起重要作用。總體而言，我們的結(jié)果表明，即使在低溫潮濕的空氣中，低成本的Ni-DG也是CO氧化的有效催化劑。
Figure 1. （a）嵌入的Ni原子在雙空位石墨烯上擴(kuò)散的途徑，在此圖和以下圖中，IS、TS和FS分別代表初始結(jié)構(gòu)、過渡結(jié)構(gòu)和最終結(jié)構(gòu)。（b）嵌入鎳的雙空位石墨烯的聲子結(jié)構(gòu)。
Figure 2. （a）嵌入鎳的雙空位石墨烯最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，在此圖和以下圖中，灰色和藍(lán)色原子是C和Ni原子。（b）在嵌入Ni的雙空位石墨烯上的Ni原子和C原子的PDOS。
Figure 3. Ni嵌入石墨烯上的O
2（a）、CO（b）、H
2O（c）和N
2（d）分子解離的途徑。
Figure 4. O
2（a）和CO（c）吸附在Ni-DG上的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其中顯示了Ni-DG上沿O
2和CO的差分電荷密度。藍(lán)色和紅色等值面分別對應(yīng)于電子數(shù)量和耗盡區(qū)的增加。還顯示了吸附的O
2（b）和CO（d）分子以及Ni-DG中Ni原子的PDOS。垂直線表示費(fèi)米能級。
Figure 5. Ni-DG上CO分子通過TER機(jī)制的反應(yīng)途徑。E的單位為eV，其中E為能壘。還顯示了吸附物附近的Hirshfeld電荷。
相關(guān)研究成果于2020年由河海大學(xué)Jianfeng Zhang課題組，發(fā)表在J. Mater. Chem. A,（DOI: 10.1039/c9ta08525d）上。原文：A novel single-atom catalyst for CO oxidation in humid environmental conditions: Ni-embedded divacancy graphene。
