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Computational design of spatially confined triatomic catalysts for nitrogen reduction reaction

催化作用 三聚体 密度泛函理论 化学 过渡金属 选择性 三原子分子 电催化剂 计算化学 反应性(心理学) 电化学 纳米技术 组合化学 材料科学 分子 物理化学 有机化学 二聚体 病理 医学 替代医学 电极
作者
Wei Pei,Wenya Zhang,Xueke Yu,Lei Hou,Weizhi Xia,Zi Wang,Yongfeng Liu,Si Zhou,Yusong Tu,Jijun Zhao
出处
期刊:Journal of materials informatics [OAE Publishing Inc.]
卷期号:3 (4) 被引量:6
标识
DOI:10.20517/jmi.2023.35
摘要

The electrocatalytic process of nitrogen reduction reactions (NRR) offers a promising approach towards achieving sustainable ammonia production, acting as an environmentally friendly replacement for the conventional Haber-Bosch method. Density functional theory calculations have been utilized to design and investigate a set of catalysts known as triple-atom catalysts (TACs) for electrochemical NRR, which are supported on graphite-C3N3 nanosheets. Herein, we have systematically evaluated these TACs using stringent screening to assess their catalytic performance. Among the candidates, supported Pt3, Re3, and Ru3 trimers emerged as highly active with decent selectivity, involving a limiting potential range of -0.35~-0.11 V. According to analysis of electronic properties, we determined that high NRR activity stems from the d -π* electron-accepting and -donating mechanism. Significantly, the correlation between chemical activity of TACs and electronic structure was established as a pivotal physical parameter, which has led to the conclusion that we can precisely control the catalytic behavior of transition metal trimer clusters by selecting appropriate metal elements and designing moderate cluster-substrates interactions. In summary, these theoretical studies not only enhance our understanding of how catalytic properties are governed by metal-support interactions, regulating stability, activity, and selectivity, but also offer a useful method for screening and designing novel TACs for NRR.
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