Termination effects of single-atom decorated v-Mo2CTx MXene for the electrochemical nitrogen reduction reaction

化学 电化学 价(化学) 催化作用 氧化还原 密度泛函理论 吸附 选择性 限制 Atom(片上系统) 氮原子 氮气 无机化学 计算化学 物理化学 电极 有机化学 嵌入式系统 工程类 机械工程 计算机科学 群(周期表)
作者
Xingwu Zhai,Haoxi Dong,Yafei Li,Xiaodong Yang,Lei Li,Jueming Yang,Yanwen Zhang,Jinli Zhang,Hongxia Yan,Guixian Ge
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:605: 897-905 被引量:30
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2021.07.083
摘要

The lack of the green, economical and high-efficient catalysts restrict the development of electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR). By means of density functional theory (DFT) calculations, we have systematically investigated the NRR catalytic performance of single atoms decorated v-Mo2CT2 (T = O, F, OH, Cl, and Li) MXene (TM@v-Mo2CT2). Our calculation results reveal the introduction of single atom can significantly improve the NRR activity and selectivity on v-Mo2CO2, and Ir@v-Mo2CO2 system possesses the lowest limiting potential of only -0.33 V among all studied systems. The termination effects of TM@v-Mo2CT2 are further discussed and a descriptor of the adsorption energy of *NNH species (ΔE(*NNH)) is proposed to establish the relationship with NRR limiting potential (UL(NRR)), in which a moderate (ΔE(*NNH)) is required for high NRR activity. Moreover, a good linear relationship between the ΔE(*NNH) and the excess electrons on Ir atom shows that different ΔE(*NNH) originates from the difference of valence state of Ir atom, which is due to the change of coordination environment. Importantly, the synergistic effects of Ir atom and the surface O-terminations during the first hydrogenation step lead to a promoted NRR performance. Our study might provide new possibilities for rational design of cost-effective MXene-based NRR electrocatalysts.
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