Theoretical screening of the transition metal heteronuclear dimer anchored graphdiyne for electrocatalytic nitrogen reduction

异核分子 催化作用 同核分子 二聚体 过渡金属 密度泛函理论 化学 氧化还原 金属 无机化学 分子 计算化学 有机化学
作者
Dongwei Ma,Zaiping Zeng,Liangliang Liu,Yu Jia
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier]
卷期号:54: 501-509 被引量:127
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2020.06.032
摘要

Developing efficient electrocatalysts for nitrogen reduction reaction (NRR) is crucial to replace the both energy–intensive and environment–malignant Haber–Bosch process. Here using density functional theory calculations, we systematically studied the potential of the heteronuclear 3d transition metal dimers anchored graphdiyne monolayers ([email protected] and [email protected], M = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) as efficient NRR catalysts. Among all the studied double–atom catalysts (DACs), [email protected] and [email protected] are the most promising with excellent NRR catalytic activity, high ability to suppress the competing hydrogen evolution reaction (HER), and good stability. For both [email protected] and [email protected], NRR prefers to the distal pathway with the calculated onset potentials of −0.44 and −0.36 V, respectively, which are comparable and even better than their homonuclear counterparts. Moreover, [email protected] and [email protected] have higher ability to suppress HER than Fe2@ and Co2@GDY, which may result from the modulated d state electronic structure due to the synergy effect of the heteronuclear atoms in the DACs. Our work not only suggests that [email protected] and [email protected] hold great promises as efficient, low–cost, and stable DACs for NRR, but also further provides a strategy, i.e. alloying the atomic metal catalysts, to improve the NRR catalytic activity and/or selectivity.
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