CO在氢气中的优先氧化（PROX）是净化含CO的H2气流的有效方法。传统的PROX催化剂通常是铂基或金基催化剂。然而，低成本、高CO转化率、宽操作温度窗口的PROX催化剂却很少见。
有鉴于此，南卡罗来纳大学Andreas Heyden报道了通过第一性原理计算， 利用单层二维材料与金属载体之间的电子-原子单层金属载体相互作用，设计了N-GR/Ni（111）PROX催化剂。
文章要点
1）O2在氮掺杂石墨烯上物理吸附，而在Ni（111）负载的氮掺杂石墨烯上吸附高度活化的O-O键。碳原子及其邻近原子硼是吸附和反应的活性中心。
2）在B-GR/Ni（111）上CO氧化较容易，H2氧化活性较低的情况下，发现B-GR/Ni（111）可能不是一种良好的PROX催化剂，因为H2O和B-GR/Ni（111）上吸附氧原子的反应在能量上有利于形成稳定的羟基，从而使催化剂中毒。相比之下，N-GR/Ni（111）在水存在下对CO的氧化具有很高的活性。其中氮位的下两个最近的碳原子是活性位。
3）微动力学模拟表明，N-GR/Ni（111）对PROX具有高活性和选择性，其TOF耗氧量（300K，CO压力为0.01bar）和CO2选择性分别为2.38/s和100%。H2氧化（在1 bar氢压下）的有效自由能垒比CO氧化（在5x10-5 bar CO压力下）的有效自由能垒高0.2 eV以上，保证了对CO2的高选择性。
4）作为氧化催化剂，NGR/Ni（111）负载的氮掺杂石墨烯在423k下也具有很高的乙烯环氧化活性，TOF为0.41/s。
5）氧在B-GR/Ni（111）和N-GR/Ni（111）上的化学吸附与氧在独立的B-GR和N-GR上的物理吸附形成对比，这突出了电子-原子单层金属-载体相互作用在新型氧化催化剂设计中的潜力。
该研究为各种选择性氧化催化剂的设计提供了方向。
Yongjie Xi, Andreas Heyden, Preferential oxidation of CO in hydrogen at nonmetal active sites with high activity and selectivity, ACS Catal., 2020
DOI: 10.1021/acscatal.0c00743
https://doi.org/10.1021/acscatal.0c00743
