Two-dimensional graphdiyne analogue containing Mo-coordinated porphyrin covalent organic framework as a high-performance electrocatalyst for nitrogen fixation

过电位 电催化剂 电化学 催化作用 卟啉 氧化还原 氮气 材料科学 化学 组合化学 化学工程 无机化学 光化学 电极 物理化学 有机化学 工程类
作者
Cong Wang,Yun-Tong Shan,Wen‐Hua Zheng,Min Zhang,Zhong‐Min Su
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier]
卷期号:580: 152359-152359 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2021.152359
摘要

Graphdiyne (GDY), as a burgeoning two-dimensional (2D) material, is regarded as an excellent carbon support owing to its unique polyyne structure, but lack of active sites. Meanwhile, metalloporphyrins can anchor various metals as eminent catalytic center and have been extensively applied in various electrochemical reactions, including N2 reduction reaction (NRR). Integrating metalloporphyrins connected by polyynes as GDY analogues may create facile and charming heterogeneous electrochemical catalysts by merging their complementary advantages and broad prospects. Herein, the electrocatalytic behaviors of a sequence of 2D metalloporphyrin-based GDY analogues connected by butadiyne (TM-PDYs, TM = Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, and W, respectively) toward NRR have been investigated by employing first-principles calculations. The computations demonstrate that 2D Mo-PDY owns superior electrocatalytic property for N2 fixation with an ultralow overpotential of 0.14 V via the preferred distal pathway among the 19 candidates, together with the capability of inhibiting the competing hydrogen evolution reaction (HER). This work not only puts forward an innovative idea based on multi-active components to realize attainable functional 2D lattices for the design of high-performance catalysts, but also promotes more experimental researches in this field to achieve sustainable NH3 production.
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