プロパン脱水素化のための空室工学によってグラフェンに固定された単一プラチナの触媒性能の調整：理論的研究

プロパン脱水素（PDH）は、プロピレンを生成するための効果的なアプローチです。PT種を単一の原子触媒（SAC）にダウンサイズすることは、最大の利用と優れた触媒挙動により、ホットスポットになりました。ただし、SACSの凝集は、高温PDHの決定的な制限です。ここでは、単一のPT原子をさまざまな種類の空孔を持つグラフェンに固定し、PDHでの触媒性能を密度官能理論（DFT）に基づいて調査しました。空室サイズが増加すると、触媒活性が低下しました。それは、プロパン中の剥離したH原子の結合された部位が空孔周辺のPt原子からC原子に移動し、移動距離を増加させ、活性を低下させるためです。しかし、空孔サイズの増加に伴い、グラフェンとプロピレンのC原子間の反発が強化されたため、プロピレンに対する選択性が改善されました。したがって、単一の原子を安定化する代わりに、炭素材料の空室は、幾何学的妨害によって触媒性能を調整することもできます。この基本的な作業は、PDHの意図的なSACデザインの可能性を開きます。

Propane dehydrogenation (PDH) is an effective approach to produce propylene. Downsizing the Pt species to single atom catalysts (SACs) has become a hotspot, owing to the maximum utilization and excellent catalytic behavior. However, the agglomeration of SACs is the decisive limitation for high temperature PDH. Herein, single Pt atoms were anchored on graphene with different types of vacancies, and their catalytic performances on PDH were explored based on density functional theory (DFT). As the vacancy size increased, the catalytic activity decreased. It was because the combined site of the detached H atom in propane would transfer from the Pt atom to the C atom around vacancies, thus increasing the migration distance and lowering the activity. However, with the increase of vacancy size, the selectivity to propylene was improved, owing to the enhanced repulsion between C atoms in graphene and propylene. Therefore, instead of stabilizing the single atom, vacancies in carbon materials can also tailor the catalytic performance by geometric disturbance. This fundamental work opens up the possibility for purposeful SAC design in PDH.