WS2限域金属原子催化乙炔高效加氢制乙烯的理论预测与机制解析

本文通过理论计算筛选出WS2基底面硫空位限域的铜原子（Cu@WS2-Sv）作为非贵金属催化剂，在乙炔加氢制乙烯（AHE）反应中展现出优异的活性、选择性和稳定性。研究揭示了C2H2/H2共吸附与C2H3→C2H4氢化为关键步骤，建立火山型活性趋势，并通过机器学习模型阐明金属杂原子d电子数与电负性对催化性能的调控机制，为二维过渡金属二硫化物（2D TMDs）催化剂设计提供新思路。

　　

Highlight

通过系统取代WS₂中的W原子，研究发现硫空位限域的铜原子（Cu@WS₂-Sv）在乙炔加氢制乙烯（AHE）反应中表现出超越其他候选材料的催化性能。分子动力学与反应动力学分析表明，C₂H₂/H₂共吸附和C₂H₃→C₂H₄氢化是形成火山型活性趋势的关键步骤，而乙烯脱附路径的动力学优势有效抑制了过度氢化生成乙烷的副反应。

Computational details

采用密度泛函理论（DFT）自旋极化计算，使用VASP软件包和PBE泛函描述交换关联势。设置450 eV截断能和1×1×1 k点网格，通过声子计算与从头算分子动力学（AIMD）验证结构稳定性，过渡态搜索采用CI-NEB方法。

Identification of active sites

双硫空位（double-Sv）暴露的过渡金属（TM）杂原子是C₂H₂/H₂共吸附的活性位点（图1a）。TM掺杂能量与双硫空位形成能的线性关系（图1c）显示，从早期到晚期过渡金属，掺杂能逐渐降低，其中Cu@WS₂-Sv表现出最优的电子结构调控能力。

Conclusions

WS₂晶格限域TM原子可定向构建硫空位活性中心，其AHE活性由金属杂原子的d电子数和电负性主导。Cu@WS₂-Sv的1.09 eV反应能垒和乙烯选择性脱附特性，为开发高效低碳烯烃生产催化剂提供了理论范式。