Regulating the Coordination Environment of Single-Atom Catalysts Anchored on Thiophene Linked Porphyrin for an Efficient Nitrogen Reduction Reaction

催化作用 卟啉 选择性 噻吩 法拉第效率 电化学 氧化还原 材料科学 氮气 化学 组合化学 光化学 无机化学 物理化学 有机化学 电极
作者
Nadaraj Sathishkumar,Hsin‐Tsung Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (12): 15545-15560 被引量:35
标识
DOI:10.1021/acsami.3c00559
摘要

The electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) offers a promising strategy to resolve high energy consumption in the nitrogen industry. Recently, the regulation of the electronic structure of single-atom catalysts (SACs) by adjusting their coordination environment has emerged as a rather promising strategy to further enhance their electrocatalytic activity. Herein, we design novel SACs supported by thiophene-linked porphyrin (TM–N4/TP and TM–N4-xBx/TP, where TM = Sc to Au) as potential NRR catalysts using density functional theory calculations. Among these catalysts, TM–N4/TP (TM = Ti, Nb, Mo, Ta, W, and Re) and TM–N4/TP with a water bilayer (TM = Nb, Mo, W, and Re) show excellent activity (low limiting potential) but low selectivity. Encouragingly, we find that Mo–N3B/TP, Mo–N2B2-2/TP, W–N3B/TP, W–N2B2-2/TP, Re–N3B/TP, Re–N2B2-2/TP, and Re–N2B2-1/TP serve as the most efficient NRR electrocatalysts, as they present stability, superior activity, better selectivity with low limiting potentials (−0.18 ∼ −0.90 V), and high Faradaic efficiencies (>99.80%). Based on microkinetic modeling, kinetic analysis of the NRR is performed and shows that the Re–N2B2-1/TP catalyst is more efficient for NH3 formation. Additionally, multiple-level descriptors provide insight into the origin of NRR activity and enable fast prescreening among numerous candidates. This work provides a new perspective to design highly efficient catalysts for the NRR under ambient conditions.
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