High-throughput screening to predict highly active dual-atom catalysts for electrocatalytic reduction of nitrate to ammonia

电催化剂 催化作用 氨生产 硝酸盐 材料科学 电化学 无机化学 选择性催化还原 组合化学 纳米技术 化学 电极 物理化学 有机化学
作者
Faisal Rehman,Soonho Kwon,Charles B. Musgrave,Mohsen Tamtaji,William A. Goddard,Zhengtang Luo
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:103: 107866-107866 被引量:110
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2022.107866
摘要

Ammonia is an essential chemical owing to its importance in fertilizer production and other industrial applications. Electrocatalytic nitrate reduction to ammonia (NO3RR) holds great promise for low-temperature ammonia production while simultaneously addressing nitrate-based environmental concerns. To provide the mechanistic understanding needed to design an effective electrocatalyst, we systematically investigated the catalytic performance of metal-based dual-atom catalysts (DACs) anchored on two-dimensional (2D) expanded phthalocyanine (Pc) for NO3RR. We found that NO3RR can efficiently produce ammonia on Cr2-Pc, V2-Pc, Ti2-Pc, and Mn2-Pc surfaces with low limiting potentials of − 0.02, − 0.25, − 0.34, and − 0.41 VRHE, respectively. Moreover, using the free energy difference of *NO3- and *H as a descriptor, we found that the hydrogen evolution reaction is significantly suppressed on the DAC surface due to an ensemble effect in which the two metal atoms cooperate to selectively form ammonia. We performed high-throughput screening to develop an efficient metal-based DAC for NO3- reduction, followed by a mechanistic study to elucidate the NO3RR pathway on the DAC. This work provides design information for advancing sustainable ammonia synthesis under ambient conditions.
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