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Tuning transition metal atoms embedded in N6 cavity structure toward efficient electrocatalytic ammonia synthesis

反键分子轨道 密度泛函理论 催化作用 过渡金属 化学 原子轨道 费米能级 化学物理 氨生产 Atom(片上系统) 计算化学 电子 物理 嵌入式系统 量子力学 生物化学 计算机科学
作者
Rong Cao,Jiezhen Xia,Qi Wu
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier]
卷期号:54: 1047-1055 被引量:7
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2023.11.265
摘要

Electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) has become a promising route for ammonia synthesis. Designing a providential catalyst is a key strategy to further improve electrocatalytic activity. In this study, we systematically explored the NRR catalytic performance of transition metal (TM) atoms supported in graphitic C3N with six-fold N cavity (TM/TM2@C3N) through density functional theory (DFT) calculations. Our results show that, compared to single atom catalysts (SACs), homonuclear double atom catalysts (DACs) can produce a strong d-p orbital coupling to facilitate the activation and reduction of N2. Among these catalysts, the low limiting potentials are required for Mn2@C3N and Fe2@C3N (−0.33 V/−0.47 V) along distal path, which can also suppress the competitive hydrogen evolution reaction. Our results unveil that the Mn_d orbitals accepted electrons while the dzx/dyz orbitals donate them back to *N2, resulting in the bonding states and antibonding states. Meanwhile, the higher d-band center of Mn2 results in fewer electrons in the equivalent antibonding states, increasing the binding strength of Mn–N2. Fe2@C3N is the opposite in Mn2@C3N. Importantly, the limiting potential of NRR on TM2@C3N illustrates a volcanic relationship with the adsorption free energy of the reaction intermediate *NH2 (ΔG*NH2). And the ΔG*NH2 can be used as descriptor to make the activity trend clear. Our work provides a new perspective for measuring and screening high-efficiency DACs for NRR.
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