通过定制表面偏析设计双金属纳米颗粒催化剂。

这篇论文的主要内容是设计双金属纳米颗粒催化剂，通过定制表面偏析来优化其催化性能。研究团队由Yaxin Tang、Mingao Hou、Qian He和Guangfu Luo组成，他们分别来自南方科技大学和新加坡国立大学的材料科学与工程系。论文的研究重点是通过第一性原理计算和分子动力学模拟来探索双金属纳米颗粒的表面偏析现象，并评估其在丙烷脱氢（PDH）反应中的催化性能。

研究背景与目的

双金属纳米颗粒因其在催化反应中的优异性能而备受关注。表面偏析是指在双金属合金中，一种金属倾向于在表面富集的现象，这对催化性能有显著影响。论文的目标是通过定制表面偏析来设计高效的双金属催化剂，以提高其在PDH反应中的催化活性。

方法与技术

1. 第一性原理计算：使用维也纳从头算模拟包（VASP）进行密度泛函理论（DFT）计算，采用Perdew-Berke-Ernzerhof交换-相关泛函，并使用DFT-D3方法进行范德华校正。计算中使用的平面波能量截止在230到450 eV之间，具体取决于系统。

2. 分子动力学模拟：在正则系综下进行，温度设定为873 K，对于含有高熔点元素（如Ta、W、Re、Os）的系统，温度提高到1773 K。模拟时间为50 ps，时间步长为1 fs。

3. 过渡态计算：使用爬山图像弹性带方法（CI-NEB）来计算PDH反应中的过渡态。

4. 自由能图：通过计算吉布斯自由能修正来构建自由能图，温度设定为873 K，部分压力条件为H2、C3H8和C3H6分别为0.167、0.67和0.167 atm。

5. 固体角分布分析：用于定量表征双金属纳米颗粒中的表面偏析，通过计算每个原子相对于其他原子的固体角来确定其在纳米颗粒中的位置。

研究结果

• 表面偏析的影响：研究发现，表面偏析显著影响催化剂的活性。通过调整双金属纳米颗粒的组成，可以优化其表面结构，从而提高催化性能。

• 催化性能评估：通过计算不同吸附物（C3H8、C3H7、C3H6和H）的平均结合能，评估了催化剂的结合强度。结合能越小，催化剂的活性越高。

• 能垒与反应速率：研究表明，反应路径的整体能垒与反应速率密切相关。能垒越小，催化剂的催化能力越强。

贡献与意义

这项研究通过定制表面偏析，为设计高效的双金属纳米颗粒催化剂提供了新的思路。研究结果表明，通过优化双金属纳米颗粒的表面结构，可以显著提高其在PDH反应中的催化性能。这一发现为开发新型催化剂提供了理论基础，并有望在工业应用中实现更高效的催化过程。

术语解释

• 第一性原理计算：一种基于量子力学的计算方法，用于预测材料的性质而不依赖于实验数据。
• 密度泛函理论（DFT）：一种量子力学计算方法，用于研究多电子系统的电子结构。
• 表面偏析：在合金中，一种元素在表面富集的现象。
• 吉布斯自由能：热力学中的一个状态函数，用于描述系统的能量状态。
• 固体角：用于描述一个点相对于其他点的空间位置的几何量。

通过这篇论文，研究人员展示了如何通过定制表面偏析来设计高效的双金属纳米颗粒催化剂，为未来的催化剂设计提供了重要的理论指导。