Highly‐selective Electrocatalytic Reduction of NO to NH3 using Cu Embedded WS2 Monolayer as Single‐atom Catalyst: A DFT Study

催化作用 单层 过渡金属 选择性 Atom(片上系统) 密度泛函理论 化学 材料科学 计算化学 纳米技术 有机化学 计算机科学 嵌入式系统
作者
Rinu Jacob,Thamarainathan Doulassiramane,R. Padmanaban
出处
期刊:ChemPhysChem [Wiley]
卷期号:25 (21)
标识
DOI:10.1002/cphc.202400473
摘要

Abstract Electrocatalytic nitric oxide reduction reaction (NORR) is a promising method for generating NH 3 and eliminating harmful NO pollutants. However, developing a NORR catalyst for NH 3 synthesis with low cost and high efficiency is still challenging. We here report a series of single‐atom catalysts (SACs), designed by embedding nine different transition metals from Sc to Cu in S‐vacant WS 2 monolayer (TM@WS 2 ), and investigate the electrocatalytic performance for NORR process using the dispersion‐corrected density functional theory (DFT) calculations. Among the nine SACs, Cu‐based one shows a strong binding to the WS 2 surface and high selectivity for the NORR process, and also it greatly inhibits the competing hydrogen evolution reaction (HER). Through ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations, the thermal stability of SAC is assessed and found no structure deformation even at 500 K temperature. With the advent of energy descriptor, all possible reactive pathways including distal and alternating mode at both N‐ and O‐end configurations for NH 3 production were explored. We predicted that the Cu@WS 2 SAC exhibits remarkable catalytic activity and selectivity with lowest limiting potential of−0.41 V via the N‐alternating pathway. Our study emphasize that the transition metal dichalcogenide (TMDC) based SACs are potential candidates for converting NO to NH 3 , and this opens a new avenue in designing NORR catalysts with high catalytic performance.
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