Computational screening of transition metal atom doped C3N as electrocatalysts for nitrogen fixation

催化作用 过渡金属 氮气 密度泛函理论 化学 金属 氧化还原 Atom(片上系统) 兴奋剂 无机化学 组合化学 化学工程 材料科学 纳米技术 计算化学 计算机科学 有机化学 嵌入式系统 工程类 光电子学
作者
Wei Song,Chensi Li,Pengfei Ma,Xiao Liu,Yongliang Guo,Meng Jia,Wei Zhang,Chaozheng He
出处
期刊:Molecular Catalysis [Elsevier]
卷期号:535: 112888-112888 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.mcat.2022.112888
摘要

NH3 is the main product of nitrogen reduction and is not only an indispensable fertilizer component but also a promising clean energy carrier. The electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) can reduce N2 to NH3 under ambient conditions and is one of the most promising technologies to replace the traditional Haber–Bosch process. The careful choice and design of electrocatalysts are both key to achieving an efficient electrocatalytic reaction. In this study, using density functional theory calculations, the catalytic performance of a series of 3d transition metal (TM = Cr, Mn, Fe, Co) single-atom catalysts supported on C3N (TM@C3N) was systematically investigated. The best NRR performance was achieved for the Fe-C@C3N catalyst, and the reaction follows the enzymatic mechanism. Crucially, at a limiting potential of –0.49 V, the competitive hydrogen evolution reaction was effectively inhibited. Furthermore, the electronic properties of the reaction intermediates and Fe-C@C3N were analyzed to reveal the reasons for its high activity. The results of this study will help us understand the catalytic performance of TM-atom-doped C3N and aid the design of more active C3N-based NRR catalysts.
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