Rational design of highly efficient electrocatalytic single-atom catalysts for nitrogen reduction on nitrogen-doped graphene and g-C2N supports

催化作用 电化学 石墨烯 化学 氧化还原 氮气 过渡金属 无机化学 密度泛函理论 纳米技术 组合化学 材料科学 物理化学 电极 计算化学 有机化学
作者
Shize Liu,Jing‐yao Liu
出处
期刊:Journal of Power Sources [Elsevier]
卷期号:535: 231449-231449 被引量:30
标识
DOI:10.1016/j.jpowsour.2022.231449
摘要

Electrochemical N2 reduction reaction (NRR) is a very attractive route for ammonia production under ambient conditions. It is a challenging issue to develop efficient electrocatalysts in NRR process. Herein, we designed a series of NRR single-atom catalysts (SACs), namely, transition metal single-atom anchored on nitrogen-doped porous graphene with six-fold N6 cavity ([email protected]). Based on spin-polarized density functional theory (DFT) calculations, the stability and catalytic performance of [email protected] SACs were systemically investigated. Six promising catalysts (Nb, Mo, Tc, Ta, W, and [email protected]) are selected from 14 candidates by screening the free energy changes of the first and last electric chemical steps. Detailed NRR mechanism studies show that the six SACs have superior electrochemical NRR performance, especially [email protected], reaching low limiting potentials of −0.23 V. Furthermore, we extend the present study to another kind of graphitic carbon nitrides, g-C2N, which has a similar N6 cavity. Our calculations show that five [email protected]2N SACs have good stability and high activity and selectivity for NRR. In addition, ΔG*NNH, dN-N, and ICOHP can be used as descriptors to understand the origin of NRR catalytic activity of these two kinds of catalysts. The present work may provide valuable clues for exploring promising and efficient NRR electrochemical catalysts.
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