摘要：电催化NO还原反应(NORR)合成氨,作为一项新兴技术,旨在减少NO污染并生产高附加值产品.因此,寻找合适的NORR电催化剂至关重要.单原子合金催化剂(SAACs)因其独特的催化性能和明确的成键环境,是研究催化剂结构-活性关系的理想对象.本文依托密度泛函理论(DFT)计算和机器学习(ML)算法,深入研究了Pt掺杂的SAACs在NORR合成氨反应中的催化机制,并提出了SAACs的理性设计原则.通过ML算法,成功识别了与催化活性密切相关的原子和电子特征,并定量分析了这些特征之间的协同作用.DFT计算和ML算法的联合运用不仅加深了对复杂NORR机理的理解,还为理性设计具有特定活性中心的高效SAACs提供了一种切实可行的策略.本文研究了13种Pt掺杂的SAACs(Pt/TM,TM=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ru,Rh和Pd)和14种纯过渡金属(包括Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ru,Rh,Pd和Pt)在NORR合成氨反应中的催化机制.首先,考察了Pt/TM的热力学稳定性和在电化学条件下的稳定性.结果表明,Pt/TMSAACs展现出了良好的热力学稳定性.在电化学条件下,当外加电压等于极限电势时,单质Zn在pH>6时稳定存在,而其他纯金属和Pt/TM SAACs则在整个pH范围内均能保持稳定.随后,探讨了这些催化剂对NO的吸附及活化能力.DFT计算发现,NO能够在所有催化剂表面稳定吸附,并且吸附后N-O键长与NO得电子数之间存在显著的线性相关性,这两者可共同作为NO活化的重要指标.接着,考察了NORR的反应机理,并筛选出7种具有较高过电势(UL>-0.25V)的催化剂,包括Cu,Zn,Rh,Pt以及Pt/Cu,Pt/Zn,Pt/RhSAACs.考虑到H2和N2副产物对氨选择性的影响,排除了Zn和Pt/Zn作为潜在的优秀催化剂.在此基础上,在排除贵金属(Rh,Pt和Pt/Rh)基底的SAACs后,筛选出Cu和Pt/Cu作为NORR合成氨反应的高效催化剂.最后,采用随机森林(RF)和基于压缩感知原理的数据驱动(SISSO)方法分析了SAACs的内在特性与NORR性能之间的关系.RF模型所预测的极限电势与DFT计算结果高度吻合,模型的决定系数(R^(2))高达0.97,均方根误差(RMSE)仅为0.12 V.此外,利用SISSO算法建立了SAACs的关键特征(如基底金属的第一电离能、NO得电子数和基底金属的d轨道电子数)与在最佳反应路径上的极限电势之间的紧密联系.这一研究不仅加深了对NORR合成氨机制的理解,还为高效催化剂的理性设计提供了有力的理论支持.综上所述,本文基于DFT计算和ML算法,系统研究了Pt/TMSAACs在电催化还原NO合成氨过程中的催化性能.通过筛选,Cu和Pt/Cu被确定为优秀的NORR合成氨催化剂.ML算法所预测的极限电势与DFT计算结果高度一致.本文的研究结果为NORR电催化合成氨单原子合金催化剂的理性设计和高效筛选提供了参考.

摘要：电催化水分解产氢作为一种有前途的制氢技术被全世界研究者广泛关注.然而,此领域仍然缺少一种高效、无污染的催化剂,以降低能耗,提升反应动力学,进而推进电解水的实际应用.近年来研究发现,具有短程有序、长程无序特征的非晶纳米材料在电解水领域表现出极其优异的性能.有趣的是,固有的无序结构赋予了非晶纳米材料丰富的高活性位点.鉴于此,本文综述了非晶纳米材料的制备策略以及表征方法,并且对其高活性来源进行了系统地分析.此外,本文通过分析近几十年的研究成果指出了非晶纳米材料在电解水领域面临的挑战和应用前景.非晶纳米材料的合成方法主要分为两类:直接合成和间接合成.直接合成主要包括:电沉积、光化学金属-有机沉积、气溶胶-喷雾辅助法、反胶束溶胶-凝胶法、水热法、共沉淀法和氧化还原法.其中,气溶胶-喷雾辅助技术可以通过控制母液中金属离子的浓度精准地控制非晶纳米材料中各种金属元素的组成,从而有目的地调控并优化催化活性.间接合成主要分为原位转化和非原位转化.原位转化是指晶体材料在反应过程中表面会原位转化为非晶结构作为反应的真实活性物质.非原位转化是指当纳米材料尺度非常小时,高表面能将会破坏材料的结晶度得到非晶材料.另外,非晶材料长程无序的特点给其表征带来极大挑战.目前,对于非晶材料表征的一般流程是:首先通过X射线粉末衍射确定非晶结构,并通过透射电子显微镜以及扫描电子显微镜探索其形貌结构;再通过选区电子衍射以及高角度环形暗场扫描透射电子显微镜进一步确定非晶结构;然后,通过能谱、电感耦合等离子体发射光谱和X射线光电子能谱分析其化学组成及化学态;最后,采用拉曼光谱和同步辐射数据提供晶体结构信息.本文对非晶纳米材料高活性的起源进行了探究.在电解水领域,非晶纳米材料通常表现出优于晶体材料的性能.优异的活性与活性位点数量的增多以及活性位点活性的提升有关:(1)非晶纳米材料具有长程无序的特征,可以暴露更多活性位点,并且其表面存在的大量悬挂键也可以作为活性位点;(2)非晶纳米材料的活性位点可以拓展至催化剂体相内部,大幅提升了活性位点数量;(3)非晶纳米材料结构灵活性高,活性位点在催化反应过程中可以转变成任意形状,提升了活性位点的活性;(4)非晶纳米材料的高韧性和应变能力赋予其较高的稳定性.非晶纳米材料已广泛应用于电解水领域,但仍然存在一些问题:(1)非晶纳米材料由于原子级结构不确定,其电催化机理很难探究;(2)理论模拟作为研究电化学反应途径的有力工具很难应用于非晶纳米材料的研究;(3)随着无序程度的增加,活性位点数量和活性逐渐增加,但电导率逐渐下降.尽管如此,由于非晶纳米材料结构灵活性高和自重组能力快速,人们对其在电解水领域的研究兴趣越来越大,并且该领域显示出良好的应用前景,高效非晶纳米材料的设计合成及其催化机理的研究将成为今后研究的重点.