Theoretical study on double-atom catalysts supported with graphene for electroreduction of nitrogen into ammonia

催化作用 石墨烯 化学 氮原子 氨生产 氮气 无机化学 Atom(片上系统) 物理化学 材料科学 电化学 电极 纳米技术 有机化学 群(周期表) 嵌入式系统 计算机科学
作者
Weijie Yang,Hanyu Huang,Xunlei Ding,Zhao Ding,Chongchong Wu,Ian D. Gates,Zhengyang Gao
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier BV]
卷期号:335: 135667-135667 被引量:84
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2020.135667
摘要

Developing electrocatalyst with high catalytic activity for the nitrogen reduction reaction (NRR) is the key step to accelerate the application of electrocatalytic nitrogen fixation. Eight kinds of double-atom Fe catalysts supported with graphene-based substrate (Fe-TMDA/GS, TM = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) were constructed for electroreduction of nitrogen into ammonia. The bonding mechanism of Fe-transition metal dimer on substrates was studied from the perspectives of orbital hybridization and electron transfer. Based on the analysis of reaction paths and Gibbs free energy variation, the potential determining step of the NRR is the transfer process of the first H+/e− pair. Fe-TiDA/GS has the highest NRR catalytic activity among the eight kinds of Fe-TMDA/GS, with a Gibbs energy variation of 0.88 eV. Based on the analysis of electron density difference, band structure and work function, electron transfer is the main factor affecting nitrogen adsorption, and the second metal atom improves the catalytic activity of NRR through promoting electron transfer between N2 and the graphene surface. This theoretical research provides new insights into developing highly efficient electrocatalyst for NRR.
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