Computational Evaluation of Electrocatalytic Nitrogen Reduction on TM Single-, Double-, and Triple-Atom Catalysts (TM = Mn, Fe, Co, Ni) Based on Graphdiyne Monolayers

催化作用 单层 二聚体 化学 三聚体 氧化还原 单体 过渡金属 电催化剂 电化学 Atom(片上系统) 无机化学 物理化学 有机化学 嵌入式系统 生物化学 聚合物 计算机科学 电极
作者
Dongwei Ma,Zaiping Zeng,Liangliang Liu,Xiaowei Huang,Yu Jia
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:123 (31): 19066-19076 被引量:249
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.9b05250
摘要

Low-cost and efficient electrocatalysts are urgently required for the N2 reduction reaction (NRR) to produce NH3 under ambient conditions. By using first-principles calculation, we systematically investigated the NRR catalytic activity of the transition metal (TM, including Mn, Fe, Co, and Ni) monomer-, dimer-, and trimer-anchored graphdiyne (GDY) monolayers. It is shown that most of the TM monomer- and dimer-anchored GDY monolayers have enhanced NRR catalytic activity compared with the Ru(0001) stepped surface. Especially, the Co dimer-anchored GDY monolayer (Co2@GDY) exhibits the best NRR catalytic activity with the onset potential of −0.43 V and a high ability to suppress the competing hydrogen evolution reaction. The high NRR catalytic activity of Co2@GDY could be attributed to the localized electronic states near the Fermi level and the strong electron-donating ability of the GDY monolayer. Furthermore, an approximate linear trend between the predicted onset potential and the N adsorption energy is revealed, which may act as a simple descriptor for the intrinsic NRR catalytic activity of such catalysts. Our findings not only propose an efficient and low-cost double-atom catalyst for NRR but also provide a new clue for designing TM atomic catalysts based on GDY sheets for various electrocatalysis applications.
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