Screening and prediction of metal-doped α-borophene monolayer for nitric oxide elimination

催化作用 硼酚 单层 金属 选择性 密度泛函理论 兴奋剂 氧化物 一氧化氮 吉布斯自由能 化学 材料科学 无机化学 组合化学 纳米技术 计算化学 物理 有机化学 光电子学 量子力学
作者
Yi Xiao,Chen Shen,Weibin Zhang
出处
期刊:Materials Today Chemistry [Elsevier]
卷期号:25: 100958-100958 被引量:24
标识
DOI:10.1016/j.mtchem.2022.100958
摘要

NH3 synthesis from air pollutants (NO) exhibits an attractive alternative method to the traditional Haber–Bosch industrial process. However, it is still challenging due to the kinetic limitations of the N–O bond, which is difficult to break directly, and the selectivity of the final product. Herein, the spin-polarized density functional theory method was applied to explore and design high-efficiency nitric oxide reduction reaction (NORR) catalysts based on the two-dimensional α-borophene monolayer (BM-α) which are doped with transition metals. The catalytic activity of metal-doped α-borophene monolayers ([email protected]α) depend on the binding energy of ∗N (ΔG∗N) and the d-band center (Ɛd), which are applied as the descriptors for the screens of promising catalyst from 23 candidates. This strategy can efficiently and reliably explore the intrinsic correlation between the catalytic activity and descriptors toward efficient NORR catalysts. Furthermore, the Gibbs energy difference of ΔG∗H and ΔG∗NO are also applied as a descriptor to evaluate the selectivity toward the NORR. Overall, [email protected]α, [email protected]α, [email protected]α, and [email protected]α have the favorable limiting potentials of 0.36 V, 0.24 V, −0.004 V, and −0.25 V, respectively. Furthermore, [email protected]α, [email protected]α, and [email protected]α can also strongly suppresses the competing hydrogen evolution reaction with ΔG∗H of −1.26 V, 1.16 V, and 1.12 V, respectively. Then, the descriptors of ΔG∗N and Ɛd provide insight into the intrinsic correlation between the catalytic activity and the structure of [email protected]α. The volcano plot trends are established based on limiting potential and descriptors to screen the best candidates for NO reduction to NH3. The binding energy and electronic properties are executed to explore the relationship between the catalytic activity and structure. This work not only provides an effective and efficient strategy to screen [email protected]α for electrochemical nitric oxide elimination but also provides a feasible strategy for NH3 synthesis and is helpful in screening and designing efficient electrocatalysts for other electrochemical reactions.
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