金属嵌入石墨烯(2)

O2-O1-C—O复合物的形成导致在局域态密度的重新分配，并且轨道移位为C—O和O1-O2类型。从IS到TS再到MS，CO的2π*态和O1-O2态扩展甚至涉及金原子的d态。此外，由于Au原子的介入，C—O和O1-O2彼此也产生相互作用，加强（形成）了C-O1键而减弱（断裂）的O1-O2键，通过C—O的叠加和在MS中O1-O2状态显示（图5）。此外，d状态（红色曲线在图5中）而不是金原子的S状态或碳原子的p态，控制了Au嵌入石墨烯中CO和O2之间的相互作用。

对于ER反应，在IS和TS中的金原子带有一个小的正电这是由于氧原子（O 2）与Au在结合之前具有大量负电子。从IS到TS金原子的电子态没有显著的变化，CO分子在C-O2键的形成之前直接接近O2。

在一般情况下，室温下CO氧化具有小于0.5电子伏特的反应势垒。在Au嵌入石墨烯中CO氧化催化的第一步骤的反应势垒低至0.31 eV，两个反应步骤在室温下由于所涉及的低活化势垒而迅速进行。此外，这种基于石墨烯的催化剂的催化活性因其灵活的特点可以通过薄片的弯曲来调整或增强。Au嵌入石墨烯的另一个重要性质是它的平面结构具有较大表面积，从而确保在反应过程中其高催化效率和活性。

结论

在第一性原理计算的基础上，我们调查了在Au嵌入石墨烯中CO氧化催化的反应机理，以及吸附物和吸附剂的结构和电子性质。我们发现，Au嵌入石墨烯对于CO氧化催化表现出较高的活性。 CO氧化最有可能的过程是在起点进行LH反应使其产生一个低至0.31ev的活化势垒，接着进行ER反应使其产生更小的能量势垒（0.18 eV）。对Au嵌入石墨烯CO的氧化预测将会发生在室温下。Au嵌入石墨烯的高催化活性可能归因于Au原子与石墨烯之间的相互作用使费米能级附近的d轨道被部分占据。可以预测，金属原子并不限于Au，其他过渡金属原子嵌入石墨烯也具有高活性，如Ti嵌入石墨烯。该方法转变了石墨烯的惰性使其成为具有高活性的催化材料。这将打开一个新的途径来制造一种基于碳，成本低且具有高效的催化剂。