单原子催化剂双面协同催化实现室温臭氧分解的机理与设计策略

本综述创新性提出双面协同机制（DSM），通过理论计算揭示M?N4C单原子催化剂（SACs）在室温臭氧（O3）分解中的高效机理。该机制通过轴向吸附中间体调控金属d轨道电子结构，显著降低反应能垒（<0.26?eV），并阐明Cr-N4C因强O3吸附和耐水性成为最优候选，为环境修复催化剂设计提供新范式。

　　

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Computational methods

所有自旋极化密度泛函理论（DFT）计算均采用维也纳从头算模拟软件包（VASP）完成。离子-电子相互作用通过投影缀加波（PAW）方法描述，交换关联能则采用广义梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函处理，平面波截断能设置为400?eV。如图S1–S3所示，双层模型展现出……

Traditional single-side reaction pathways for O₃ decomposition on M-N₄C SACs

为探究M-N₄C SACs上O₃分解机制，我们首先评估了经典单侧Eley-Rideal（E-R）反应路径。如图2a所示，在Cr-N₄C催化剂上，O₃分子吸附于Cr位点后自发分解为O和O₂，第二个O₃再与O反应生成O₂和另一O₂分子，但O₂解吸步骤能垒高达0.77?eV，成为室温反应的决速障碍。

Conclusion

综上，我们通过DFT计算构建M?N₄C SACs体系，系统性揭示了O₃分解新机制。传统单侧E-R路径因高能垒（>0.77?eV）难以在室温实现，而双面协同机制（DSM）通过轴向吸附中间体调控金属d轨道（d_yz、d_z2、d_xz）在费米能级附近的电子态，弱化*O₂结合力，将能垒降至0.14?eV。Cr-N₄C凭借对O₃的优先吸附及耐水性脱颖而出，为室温臭氧分解催化剂设计提供了理论基石与创新策略。