Ensemble versus Local Restructuring of Core-shell Nickel-Cobalt Nanoparticles upon Oxidation and Reduction Cycles
双金属纳米颗粒被广泛研究，例如在催化中。然而，在使用环境中可能会发生重组，如偏析或合金化。单独来看，最先进的分析工具无法给出这些转变的全貌。这项研究结合了合奏分析（近环境压力的X-射线光电子能谱学）与本地分析（环境透射电子显微镜），以提供一个在原位描述的核壳镍钴纳米粒子暴露于还原和氧化循环的重组。它揭示了部分表面合金化伴随着破碎的壳成较小的集群，这是不可逆的。除了这个案例研究之外，这里提出的方法应该适用于处理单金属或双金属金属纳米颗粒的反应性的广泛研究。
2018-11-16 cond-mat.mtrl-sci
Data-driven design of new catalytic materials in methane oxidation based on a site isolation concept
天然气（甲烷）转化为乙烷和乙烯（OCM：甲烷的氧化偶联）促进了其运输，并提供了合成更高价值化学品的方法。寻找高性能的催化剂来实现这种转化是OCM领域中大多数相应研究的主要范围。在这里，我们提出了一个通用的数据驱动的策略，用于搜索新的催化材料，特别是对OCM反应有用的材料。我们的策略是基于一致的实验测量，包括从头算热力学计算和主动筛选。基于我们的实验，这表明独特的火山型依赖于所形成的碳酸盐的稳定性的性能归因于网站隔离的概念，我们开发了一种方法，用于有效和廉价的DFT计算碳酸盐的形成能量的预测精度为0.2 eV。该方法被实施到高通量筛选方案中，该方案包括对催化剂候选物的一般要求和积极完成的人工智能部分。在筛选过程中获得的一些候选人的实验验证表明，成功地再现了最初的火山依赖性。此外，发现几种新材料的性能优于标准OCM催化剂，特别是在较低温度下。
2022-11-15 cond-mat.mtrl-sci
Role of Oxygen during Methane Oxidation on Pd$_1$/PdO$_1$@CeO$_2$ Surface: A Combined Density Functional Theory, Microkinetic, and Machine Learning Approach
本文结合DFT、微观动力学建模和SISSO机器学习方法，系统研究了氧气在Pd$_1$/PdO$_1$@CeO$_2$(111)表面甲烷氧化中的作用机制，揭示了晶格氧和吸附氧对反应活性的促进效应，并为高效Pd/CeO$_2$催化剂设计提供了理论指导。
2025-09-22 cond-mat.mtrl-sci
Investigation of monolayer-formation time for the synthesis of graphene on copper/nickel/silicon using very-low pressure pulses of methane
在铜上化学气相沉积（CVD）石墨烯是大面积生产高质量石墨烯的最有效技术之一。然而，目前仍然需要高压和大量的前体气体。这项工作的目的是使用来自气体动力学理论的单层形成时间概念（t）来沉积石墨烯，这导致前体气体的经济化、工艺压力的最小化和生长石墨烯单层所需的时间。我们的工艺设计考虑到t对压力、气体质量粒子、粘附系数和生长温度的依赖性。因此，通过这种替代方法，基于CVD，但使用非常低的前体气体压力瞬时脉冲（~10^-4 Pa），我们将沉积时间减少到10 s的量级。我们在低于1000摄氏度的温度下，在高真空（HV）条件下，以甲烷（CH 4）作为前体气体进行了这些过程。在对样品进行拉曼光谱和绘图以及扫描电子显微镜（SEM）表征后，结果表明在溅射的铜和硅衬底上形成了高质量的单层石墨烯，覆盖了10^4微米^2的畴面积。
2014-09-17 cond-mat.mtrl-sci
Oxidation-resilient structural modifications in Nickel-functionalized 3D-graphene for hydrogen storage applications
Istituto Nanoscienze–CNR（意大利国家研究委员会纳米科学研究所）；NEST-Scuola Normale Superiore（新实验科学与技术学院-高等师范学校）；Department of Physical Science, Earth, and Environment, University of Siena（锡耶纳大学地球与环境物理科学系）；Institute of Sensor and Actuator Systems, TU Wien（维也纳工业大学传感器与致动器系统研究所）；CNR - Istituto Officina dei Materiali (IOM)（意大利国家研究委员会材料工厂研究所）
本研究通过镍纳米颗粒功能化三维石墨烯，结合扫描电镜、X射线光电子能谱等表征手段，探究其对氢吸附与抗氧化性的影响，为提升储氢材料稳定性提供了潜在策略。
2026-08-27 cond-mat.mtrl-sci
Free energy landscape of dissociative adsorption of methane on ideal and defected graphene from ab initio simulations
我们研究了甲烷在石墨烯表面的解离吸附。自由能分布，其中包括不同步骤的反应的活化能，计算从约束从头分子动力学。在300 K时，反应势垒远低于实验测得的气态甲烷的键离解能，表明石墨烯表面对甲烷的分解起催化作用.另一方面，势垒仍然比镍表面高得多。因此，甲烷解离在镍上以比在石墨烯上更高的速率发生。该反应是从前体气体生长石墨烯的先决条件。因此，第一单层的生长应该是快速和有效的过程，而随后的层以减小的速率和更可控的方式生长。缺陷也可能影响反应能量学。这是显而易见的，从我们的结果，其中简单的缺陷（斯通-威尔士缺陷和氮取代）导致不同的自由能景观在解离和吸附的过程中的步骤。
2018-02-12 cond-mat.mtrl-sci
Anionic nickel and nitrogen effects in the chiral antiferromagnetic antiperovskite Mn$_3$NiN
本研究基于DFT第一性原理计算，探究手性反铁磁反钙钛矿Mn$_3$NiN中氮位点效应，发现氮空位提升反常霍尔电导率且保留手性反铁磁有序，揭示Ni负、Mn正氧化态的特殊规律，并推广至Mn₃BN体系，为过渡金属负氧化态研究提供理想平台。
2023-01-10 cond-mat.mtrl-sci
The effect of manganese and silicon additions on the corrosion resistance of a polycrystalline nickel-based superalloy
镍高温合金的使用寿命通常受到环境退化的限制。本研究比较了多晶高温合金的三种变体在750 ℃下的氧化、硫化和热腐蚀：基线合金、含有1wt% Mn的变体和含有0.5wt% Si的变体。Mn降低了氧化速率而不改变氧化膜的形貌。形成的MnCr 2 O 4氧化皮被证明对硫化和热腐蚀具有更好的保护作用，但内部硫化物延长了损伤深度。Si改性的氧化物的形态连续的Cr2 O3-Al 2 O3双层。这提供了改进的保护，使硫化深度减少2/3，热腐蚀深度减少1/2。
2020-07-27 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Quantum Monte Carlo with ground-state input to investigate methane reactions on supported metal film catalysts
如今，人们迫切需要可持续能源，或清洁和“绿色”燃料，氢是一个完美的候选人。它可以通过解离甲烷来制备，能量输入由金属-氢键形成来补偿。工业上使用负载在$γ$ -氧化铝上的镍用于该限速步骤。这项工作显示了如何使用量子蒙特卡罗计算采取（用户引导）信息总结化学的非均相催化从一个通用的杰斯特罗因素，使电子相关性被包括在密度。这反过来又给出了准确的性能值，特别是在吸附CH 3-和H-在紧密堆积的（111）平面中的相邻镍原子上之前，拉伸一个甲烷C-H键的活化势垒。的CH 3-协调的中空网站定义的三个Ni原子，新的这项工作，另一个Ni原子协调的H-原子的解离。
2022-06-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el physics.chem-ph
An atomically efficient, highly stable and redox active Ce0.5Tb0.5Ox (3% mol.)/MgO catalyst for total oxidation of methane
本文报道了一种低镧系负载量的Ce0.5Tb0.5Ox (3% mol.)/MgO催化剂，通过原子级Ce-Tb混合纳米结构及与MgO的相互作用，在甲烷完全氧化中实现了高活性、高储氧能力和优异的高温稳定性。
2024-01-25 cond-mat.mtrl-sci
The effect of surface preparation on high temperature oxidation of Ni, Cu and Ni-Cu alloy
本文研究了抛光、磨削和喷砂工艺对镍、铜及镍铜合金氧化行为的影响。表面粗糙度的测量有两种方法：接触式轮廓仪和分形分析。结果表明，喷砂工艺对表面粗糙度的影响最大，但也会使表面受到氧化铝颗粒的污染。氧化试验在热重炉中进行。所获得的质量增益图，SEM显微照片的横截面和SEM EDS分析的样品证明，表面制备改变氧化动力学形态的抛光和地面的样品并没有显着变化后，在研究的温度下氧化，但氧化层厚度和质量增益的差异进行了观察。氧化喷砂样品表明，增加的表面粗糙度和氧化铝侵入改变氧化过程中形成的混合Al（Ni，Cu或Ni-Cu）氧化物和单独的Al 2 O3颗粒是可见的。结果表明，表面预处理通过促进新的扩散机制影响样品的高温氧化。
2020-11-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Theory of layered-oxide cathode degradation in Li-ion batteries by oxidation-induced cation disorder
本文提出层状氧化物正极中阳离子无序形成的自由能模型，解释氧化与静电力如何驱动镍缺陷进入体相，并通过循环模拟揭示降低电压截止可减轻退化。
2022-11-28 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Modelling the photocatalytic oxidation of methane and other air pollutants for applications in ventilation systems
University of Cambridge（剑桥大学）；Centre for Climate Repair, Cambridge（剑桥气候修复中心）；University of Greenwich（格林威治大学）；Stanford University（斯坦福大学）
本研究通过实验和模型评估了TiO₂光催化氧化甲烷（2-10 ppm）的性能，并预测了通风系统中该技术的转化效率及气候效益。
2026-07-13 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Characteristics of a Nickel Vanadium redox flow battery Based on COMSOL
本文提出了分析镍钒氧化还原液流电池的过电位、解离速率、电极电位分布和电流密度。由于其容量大和生态友好的特性，NVRFB可能是当前能源紧张和环境污染的一个可行的选择。由于它们的低成本和高能量密度，镍基液流电池已经得到普及。研究表明，Ni~（2+）/Ni~（+）和V~（5+）/V~（4+）离子在膜上的解离速率较高，而在电解液流速较大的入口处解离速率较低;此外，我们还发现，当电极厚度减小时，电流密度和电极电位增大，过电位减小;该模型的方程求解使用有限元法在COMSOL Multiphysics程序。使用电解质-电极界面连接来模拟反应。解离速率表明，氧化还原过程发生在较低的膜电位。提高电解液流速可提高电池性能。电极的压缩增强了导电性和电池性能。
2022-09-20 cond-mat.mtrl-sci
Carbon States in Carbon-Encapsulated Nickel Nanoparticles Studied by Means of X-Ray Absorption, Emission, and Photoelectron Spectroscopies
利用光电子能谱、X射线吸收谱和X射线发射谱对碳包覆镍纳米粒子的电子结构进行了表征。实验谱与在密度泛函理论框架下计算的态密度进行了比较。已经发现Ni纳米颗粒的碳壳是具有显著（约6%）量的斯通-威尔士缺陷的多层石墨烯。实验结果表明，通过提供至少两年的抗氧化屏障，金属纳米颗粒免受环境降解的影响。在空气中暴露2年导致Ni@C纳米颗粒的碳壳仅被氧化，其具有官能团的覆盖。
2011-11-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Novel single phase vanadium dioxide nanostructured films for methane sensing near room temperature
首次报道了新型二氧化钒（VO_2）纳米结构薄膜的甲烷（CH_4）气敏特性。采用脉冲直流磁控溅射V靶，然后在550 ° C氧气气氛中氧化的方法制备了单相纳米结构。通过控制氧分压，得到了具有金红石单斜对称性和棒状纳米结构的VO_2。这些纳米结构的膜在60-70 ° C的温度范围内表现出可逆的半导体到金属的转变。在25 ~ 200 ℃的温度范围内，对CH_4气体进行了气敏实验。这些实验表明，在半导体状态下，薄膜在低至50 ° C的温度下响应非常好。
2015-09-01 cond-mat.mtrl-sci
Autothermal Reforming of Methane on Rhodium Catalysts: Microkinetic Analysis for Model Reduction
采用全面、详细的微观动力学机理研究了甲烷自热重整反应，在没有先验假设的情况下，推导出了一个分级简化的速率表达式。微观动力学机制是改编自文献，并已与报道的实验结果进行了验证。通过反应路径分析、部分平衡分析和灵敏度分析，得出了反应速率决定步骤。结果表明，甲烷的活化是通过解离吸附到热解，而碳的氧化是通过O（s）。此外，通过从反应路径分析获得的信息，这是进一步证实的主成分分析，减少了机制。一个33%的减少，从完整的微动力学机制获得。从简化的微观动力学机理出发，进一步导出了一步反应速率方程。结果表明，该速率方程能准确地预测在较宽的入口组成范围内的转化率和出口摩尔分数。
2016-01-25 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Understanding the negative temperature coefficient phenomenon in methane-air mixtures at high pressures
燃料重整器等先进反应堆的设计和运行需要可靠的微观动力学模型，以捕捉反应的动力学。负温度系数现象导致混合物温度随着入口温度的升高而降低。然而，在文献中提供的微观动力学模型尚未严格评估其捕捉这种现象的能力。因此，预测特定应用情况下的系统行为的能力，如在某些稀释剂的存在下或在高压下，在很大程度上是缺失的。在这项工作中，我们采用多种反应机制，从文献中，并比较它们在很宽的压力和温度范围内的甲烷氧化。通过反应路径分析和灵敏度分析，我们发现通过复合途径形成C2是负温度系数行为的主要原因。在此基础上，讨论了蒸汽加入量和压力对汽温的影响.
2016-11-29 cond-mat.mtrl-sci
Nanocrystal Growth on Graphene with Various Degrees of Oxidation
我们展示了一个一般的两步法生长氢氧化物和氧化物纳米晶体的铁族元素（镍，钴，铁）石墨烯上的两个程度的氧化。在水热反应条件下，在低氧化程度的石墨烯片（GS）和高氧化程度的氧化石墨（GO）上观察到了明显不同的石墨烯生长行为。在GS表面预包覆少量含氧表面基团的小颗粒扩散并重结晶为具有良好形貌的单晶氢氧化镍Ni（OH）2六方纳米片或氧化铁Fe2O3纳米棒。相比之下，预涂覆在GO上的颗粒被GO上的高浓度氧基团和缺陷钉扎而没有重结晶成明确限定的形状。调节反应温度可以组合以进一步控制在石墨烯上生长的材料。对于与石墨烯具有弱相互作用的材料，提高反应温度可导致表面物质扩散和重结晶成更大的晶体，即使在高度氧化和有缺陷的GO上。我们的研究结果提出了一种有趣的新方法来控制石墨烯上生长的纳米材料的形态，通过调整石墨烯的表面化学作为晶体成核和生长的衬底。
2010-02-18 cond-mat.mtrl-sci
CHx adsorption (x=1-4) and thermodynamic stability on CeO2(111) surface: A first-principles investigation
我们提出了一个从头算研究甲烷，其脱氢形式和氧化铈表面之间的相互作用。特别地，考虑了化学计量的CeO 2（111）表面和具有氧空位的表面。我们研究了这些分子在真空中吸附在表面上的各种配置的几何形状，能量和电子结构，我们将分析扩展到现实的环境条件。绘制了吸附物-表面体系的相图，并对相关过渡相进行了详细分析，指出了甲烷部分氧化反应发生的条件。
2013-10-30 cond-mat.mtrl-sci
Prediction of optimal catalysts for a given chemical reaction
我们揭示了M-X键能描述符EMX的最佳催化剂在一个家庭的化学计量MiXj之间的相关性，和一个强烈的量定义为标准的催化反应的焓归一化到一摩尔的元素X通过该反应从反应物转移到产品。M是过渡元素，并且化学计量MiXj通过反应条件固定在固/液界面处。我们说明了这一点，为一组相关的反应参与太阳能和工业应用，如析氧，氧还原和析氢电解，噻吩的加氢脱硫，甲烷化的CO，芳烃和烯烃的氢化，甲烷的选择性氧化，氨的合成和分解。我们提出了一个定量模型来解释这种意想不到的联系：这一关键发现及其解释应该加速催化剂的硅发现。
2022-01-19 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Beyond the Black Box: An Interpretable Machine Learning Framework for Predicting Electronic Structure Microdescriptors and Structure-Performance Relationships in Fe-based Catalytic Systems
University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）
本文提出一种可解释的机器学习框架，通过SHAP分析和树形集成方法，预测铁基催化剂的电子结构微描述符及结构-性能关系，提升了催化剂筛选效率。
2026-05-09 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.chem-ph
