Mutual modulationviacharge transfer and unpaired electrons of catalytic sites for the superior intrinsic activity of N2reduction: from high-throughput computation assisted with a machine learning perspective

二硫化钼 催化作用 未成对电子 合理设计 化学 电子转移 计算机科学 Atom(片上系统) 材料科学 计算化学 化学物理 纳米技术 光化学 分子 有机化学 嵌入式系统 冶金
作者
Zheng Shu,Hejin Yan,Hongfei Chen,Yongqing Cai
出处
期刊:Journal of materials chemistry. A, Materials for energy and sustainability [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:10 (10): 5470-5478 被引量:30
标识
DOI:10.1039/d1ta10688k
摘要

Electrocatalysts of nitrogen reduction reaction (NRR) have attracted ever-growing attention due to its application for renewable energy alternative to fossil fuels. However, activation of inert N-N bond requires multiple complex charge injection which complicates the design of the catalysts. Here via combining atomic-scale screening and machine learning (ML) methods we explore the rational design of NRR single-atom catalysts (SACs) supported by molybdenum disulfide (MoS2). Our work reveals that the activity of NRR SACs is highly dependent on the number of unpaired d electrons of TM: positive samples with high activity favoring higher values while negative cases distributing at lower values, both varying with the doping conditions of the host. We find that the substitution of sulfur with boron can activate the intrinsic NRR activity of some TMs such as Ti and V which are otherwise inactive above pristine MoS2. Importantly, among the various de-scriptors used in ML, the charged state of adsorbed TM plays a key role in donating electron to pi-anti-bonding orbital of N2 via the back-donation mechanism. Our work shows a feasible strategy for rational design of NRR SACs and retrieval of the decisive feature of active catalysts.
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