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催化中的电子结构描述符:d带中心与p带中心的作用机制与协同效应

d带中心与p带中心是材料电子结构中的核心参数,分别主导过渡金属与非金属/半导体材料的催化行为。d带中心通过调控吸附能直接

与是中的核心参数,分别主导过渡金属与非金属/半导体材料的催化行为。

电催化反应动力学两者的协同作用(如d-p轨道杂化)可打破单一调控的局限性,例如界面工程中通过电子离域降低反应能垒,实现多步骤反应的优化。

d带中心与p带中心的定义

d带中心

d带中心是过渡金属(如Fe、Pt、Pd等)中d轨道能级的平均能量位置,通常以相对于费米能级的能量值(如ε_d)表示。例如,d带中心上移(更接近费米能级)会增强吸附作用,但过度吸附可能导致中间体脱附困难

在催化中,p带中心的位置影响材料的电荷转移能力及与反应物的轨道杂化方式

物理意义:p带中心的位置决定了材料的氧化还原能力和光吸收特性。https://doi.org/10.1016/j.apmate.2023.100167

联系与区别

联系

电子结构调控:两者均通过调控材料的电子结构(如能带位置、电荷分布)影响催化活性。例如,例如,d-pπ键的形成依赖于两者的正负相位匹配。

区别

d带中心的应用

析氢反应(HER)

Pt基催化剂:调控Pt的d带中心下移可减弱H的过度吸附。例如,PtFe合金中Fe的引入通过电子效应降低Pt的d带中心,优化H吸附自由能,使过电位降至23 mV

NiFe合金:TiO₂载体向OH*的吸附,提升H₂80%。

通过掺杂N或S可调整p带中心,增强可见光吸收和电荷分离效率

MoS₂:Sn的p轨道与Fe的d轨道杂化(p-d轨道杂化)引发电子离域,降低氧还原反应(ORR)的能垒

Ru@Cr-FeMOF:https://doi.org/10.1002/anie.202215654

总结

d带中心更适用于过渡金属催化剂的吸附能调控,如电催化和热催化;p带中心在光催化、半导体器件及非金属催化体系中起主导作用。两者的协同作用(如p-d杂化)是设计高效催化剂的重要方向,例如通过界面工程实现d-p轨道耦合,优化反应路径。