Single Vanadium Atom Achored on Sulfur-Doped Graphene as an Efficient Electrocatalyst toward the Nitrogen Reduction Reaction: A Computational View

催化作用 电催化剂 化学 石墨烯 电化学 硫黄 氧化还原 吉布斯自由能 氮气 无机化学 放热反应 氨生产 物理化学 纳米技术 材料科学 电极 热力学 有机化学 物理
作者
Yue Tang,Yipeng Wang,Xinlu Cheng,Hong Zhang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:127 (51): 24574-24582 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.3c06420
摘要

The sustainable synthesis of ammonia via the direct reduction of nitrogen is expected to be achieved by the electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) method; continuous efforts have been devoted to the search for excellent NRR catalysts. Herein, inspired by a few recent works, we performed a comprehensive first-principles calculation on eight vanadium (V)-anchored sulfur (S)-doped graphene catalysts (V–SxCNc-x@Gr) to study their NRR catalytic performance. V–S2C@Gr exhibits superior activity with extremely high limiting potential (UL) of −0.17 V, outstanding thermodynamic/electrochemical stabilities, and good selectivity. Surprisingly, V–S3@Gr is even better than V–S2C@Gr. On V–S3@Gr, the NRR is an exothermic process with continuously decreasing Gibbs free energy. The NRR can spontaneously occur on it without an externally applied potential. We also found that doping more S in the coordination environment of V leads to more charges accumulating around V, thus improving the more effective activation of the NN bond and, finally, higher UL. It is worth trying the V/S combination on other substrates and more excellent NRR catalysts are expected to be found, this work can provide certain reference basis.
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