Efficient Electrocatalytic Ammonia Synthesis via Theoretical Screening of Titanate Nanosheet-Supported Single-Atom Catalysts

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作者
Kaiheng Zhao,Jingnan Wang,Yongan Yang,Xi Wang
出处
期刊:Materials [MDPI AG]
卷期号:17 (10): 2239-2239
标识
DOI:10.3390/ma17102239
摘要

The electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) for synthesizing ammonia holds promise as an alternative to the traditional high-energy-consuming Haber–Bosch method. Rational and accurate catalyst design is needed to overcome the challenge of activating N2 and to suppress the competitive hydrogen evolution reaction (HER). Single-atom catalysts have garnered widespread attention due to their 100% atom utilization efficiency and unique catalytic performance. In this context, we constructed theoretical models of metal single-atom catalysts supported on titanate nanosheets (M-TiNS). Initially, density functional theory (DFT) was employed to screen 12 single-atom catalysts for NRR- and HER-related barriers, leading to the identification of the theoretically optimal NRR catalyst, Ru-TiNS. Subsequently, experimental synthesis of the Ru-TiNS single-atom catalyst was successfully achieved, exhibiting excellent performance in catalyzing NRR, with the highest NH3 yield rate reaching 15.19 μmol mgcat−1 h−1 and a Faradaic efficiency (FE) of 15.3%. The combination of experimental results and theoretical calculations demonstrated the efficient catalytic ability of Ru sites, validating the effectiveness of the constructed theoretical screening process and providing a theoretical foundation for the design of efficient NRR catalysts.
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