Computational examination of the kinetics of electrochemical nitrogen reduction and hydrogen evolution on a tungsten electrode

化学 热化学 电化学 限制电流 催化作用 动力学 电极 无机化学 物理化学 有机化学 量子力学 物理
作者
Árni Björn Höskuldsson,Ebrahim Tayyebi,Egill Skúlason
出处
期刊:Journal of Catalysis [Elsevier]
卷期号:404: 362-370 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.jcat.2021.10.017
摘要

Elucidating the elementary kinetics of nitrogen reduction on transition metal surfaces can guide the search for materials capable of efficiently catalysing electrochemical ammonia synthesis at ambient conditions. Density functional theory calculations are used here to explore the elementary kinetics of nitrogen reduction and hydrogen evolution on W(110). All proton-electron transfer barriers are calculated at −0.7 V vs. SHE, where the cathodic potential is explicitly modelled using a solvation bilayer of water with hydronium ions. The protonation of adsorbed NH is determined to be rate-limiting for nitrogen reduction, with a barrier of 0.65 eV. The same reaction step is potential-limiting based on the thermochemistry of adsorbed intermediates only, showing that thermochemical calculations suffice to predict catalytic trends for nitrogen reduction. The largest barrier found for hydrogen evolution at high hydrogen coverage is 0.36 eV. Thus, hydrogen evolution is expected to dominate over nitrogen reduction on W(110) at negative potentials.

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