Coupling a Main-Group Metal with a Transition Metal to Create Biatom Catalysts for Nitric Oxide Reduction

催化作用 金属 联轴节(管道) 过渡金属 氧化物 材料科学 石墨烯 群(周期表) 结晶学 物理 纳米技术 化学 量子力学 冶金 有机化学
作者
Yanmei Zang,Qian Wu,Shuhua Wang,Baibiao Huang,Ying Dai,Yandong Ma
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:19 (2) 被引量:15
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.19.024003
摘要

Developing efficient biatom catalysts for renewable energies is becoming increasingly worthwhile, yet it remains a great challenge. Herein, by means of large-scale first-principles calculations, we report a design principle of coupling main-group metal with transition metal (TM) to explore biatom catalysts for nitric oxide reduction reaction (NORR), namely, $\mathrm{Mg}/\mathrm{Al}/\mathrm{Ga}\ensuremath{-}\mathrm{TM}$ dimers anchored on nitrogen-doped graphene. We propose a comprehensive screening strategy to recognize promising candidates of such catalysts. Following this strategy, we screen $\mathrm{Mg}\ensuremath{-}\mathrm{Ni}@\mathrm{NC}$ and $\mathrm{Ga}\ensuremath{-}\mathrm{Cr}@\mathrm{NC}$ out of 24 candidates as promising biatom catalysts with high activity and selectivity for direct $\mathrm{NO}$-$\mathrm{to}$-${\mathrm{NH}}_{3}$ conversion. Such high catalytic activity is related to the synergetic interatomic interactions. Moreover, based on the interplay between main-group metal and TM centers, we propose a ``donation-backdonation-redonation'' mechanism to characterize $\mathrm{NO}$ activation. In addition, $\mathrm{\ensuremath{\Delta}}{\ensuremath{\epsilon}}_{s/p\ensuremath{\rightarrow}d}$ is identified as an efficient quantitative descriptor to prereduce the number of such catalyst candidates. Our work opens a strategy for rational design of biatom catalysts toward NORR.
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