Coadsorption of NRR and HER Intermediates Determines the Performance of Ru-N4 toward Electrocatalytic N2 Reduction

密度泛函理论 催化作用 电催化剂 选择性 化学 氧化还原 动力学 电化学 反应机理 计算化学 无机化学 物理化学 有机化学 电极 物理 量子力学
作者
Tongwei Wu,Marko Melander,Karoliina Honkala
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (4): 2505-2512 被引量:156
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c05820
摘要

Electrochemical N2 reduction (NRR) to ammonia is seriously limited by the competing hydrogen evolution reaction (HER), but atomic-scale factors controlling HER/NRR competition are unknown. Herein we unveil the mechanism, thermodynamics, and kinetics determining the HER/NRR efficiency on the state-of-the-art NRR electrocatalyst, Ru-N4, using grand canonical ensemble density functional theory (GCE-DFT). We show that NRR/HER intermediates coadsorb on the catalyst where NRR intermediates suppress HER and selectivity is determined by the initial step forming *NNH or *H. Our results provide crucial insight into the complex NRR/HER competition, show the necessity of using GCE-DFT calculations, and suggest ways to improve NRR selectivity.
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