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“Capture-Backdonation-Recapture” Mechanism for Promoting N2 Reduction by Heteronuclear Metal-Free Double-Atom Catalysts

异核分子 化学 催化作用 Atom(片上系统) 化学物理 分子 有机化学 计算机科学 嵌入式系统
作者
Yibo Wu,Cheng He,Wenxue Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (21): 9344-9353 被引量:219
标识
DOI:10.1021/jacs.2c01245
摘要

Facing the increasingly serious energy and environmental crisis, the development of heteronuclear metal-free double-atom catalysts is a potential strategy to realize efficient catalytic nitrogen reduction with low energy consumption and no pollution because it could combine the advantages of flexible active sites in double-atom catalysts while also being pollution-free and have high Faraday efficiency in metal-free catalysts simultaneously. However, according to the existing mechanism, the finite orbits of other nonmetallic atoms, except the boron atom, reduce the possibility of metal-free catalysis and hinder the development of heteronuclear metal-free double-atom catalysts. Herein, we propose a new "capture-backdonation-recapture" mechanism, which skillfully uses the electron capture-backdonation-recapture between boron, the substrate, and other nonmetallic elements to solve the above problems. Based on this mechanism, by means of the first-principle calculations, the material structure, adsorption energy, catalytic activity, and selectivity of 36 catalysts are systematically investigated to evaluate their catalytic performance. B-Si@BP1 and B-Si@BP3 are selected for their good catalytic performance and low limiting potentials of -0.14 and -0.10 V, respectively. Meanwhile, the "capture-backdonation-recapture" mechanism is also verified by analyzing the results of adsorption energy and electron transfer. Our work broadens the ideas and lays the theoretical foundation for the development of heteronuclear metal-free double-atom catalysts in the future.
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