由于在水分子的吸附和解离作用下，活性位点封闭，湿空气中用于CO氧化的催化剂的降解是一个普遍的问题。为了评估湿度对CO氧化的影响，使用第一性原理计算研究了空气中常见气体分子（CO、O₂、H₂O和N₂）在单个Ni嵌入双空位石墨烯（Ni-DG）上的吸附和解离。发现所有分子保持其分子状态，并且CO的吸附能远大于其他分子。此外，CO分子可以用小的能量垒来充分替代预吸附的O₂、H₂O和N₂分子，表明在潮湿环境中Ni-DG的活性位不会被水分子所阻挡。Ni-DG上最多可以化学吸附两个CO分子，这表明新的分子式Eley-Rideal（TER）机理是首选，并且限速步骤（2CO+O₂/OCOOCO）的能垒仅为0.34 eV。Hirshfeld电荷分析表明，电荷从O₂-2p*轨道转移到CO-2p*轨道通过TER机理在CO氧化中起重要作用。总体而言，我们的结果表明，即使在低温潮湿的空气中，低成本的Ni-DG也是CO氧化的有效催化剂。
 
Figure 1. （a）嵌入的Ni原子在双空位石墨烯上扩散的途径，在此图和以下图中，IS、TS和FS分别代表初始结构、过渡结构和最终结构。（b）嵌入镍的双空位石墨烯的声子结构。
 

Figure 2. （a）嵌入镍的双空位石墨烯最稳定的结构，在此图和以下图中，灰色和蓝色原子是C和Ni原子。（b）在嵌入Ni的双空位石墨烯上的Ni原子和C原子的PDOS。
 

Figure 3. Ni嵌入石墨烯上的O₂（a）、CO（b）、H₂O（c）和N₂（d）分子解离的途径。
 

Figure 4. O₂（a）和CO（c）吸附在Ni-DG上的最稳定结构，其中显示了Ni-DG上沿O₂和CO的差分电荷密度。蓝色和红色等值面分别对应于电子数量和耗尽区的增加。还显示了吸附的O₂（b）和CO（d）分子以及Ni-DG中Ni原子的PDOS。垂直线表示费米能级。
 

Figure 5. Ni-DG上CO分子通过TER机制的反应途径。E的单位为eV，其中E为能垒。还显示了吸附物附近的Hirshfeld电荷。
 
     相关研究成果于2020年由河海大学Jianfeng Zhang课题组，发表在J. Mater. Chem. A,（DOI: 10.1039/c9ta08525d）上。原文：A novel single-atom catalyst for CO oxidation in humid environmental conditions: Ni-embedded divacancy graphene。