Computational Study of Transition-Metal Substitutions in Rutile TiO2 (110) for Photoelectrocatalytic Ammonia Synthesis

掺杂剂 过渡金属 化学 催化作用 氨生产 金红石 无机化学 电催化剂 金属 兴奋剂 物理化学 材料科学 电化学 有机化学 光电子学 电极
作者
Benjamin M. Comer,Max H. Lenk,Aradhya P. Rajanala,Emma L. Flynn,Andrew J. Medford
出处
期刊:Catalysis Letters [Springer Nature]
卷期号:151 (4): 1142-1154 被引量:7
标识
DOI:10.1007/s10562-020-03348-z
摘要

Synthesis of ammonia through photo- and electrocatalysis is a rapidly growing field. Titania-based catalysts are widely reported for photocatalytic ammonia synthesis and have also been suggested as electrocatalysts. The addition of transition-metal dopants is one strategy for improving the performance of titania- based catalysts. In this work, we screen d-block transition- metal dopants for surface site stability and evaluate trends in their performance as the active site for the reduction of nitrogen to ammonia on TiO2. We find a linear relationship between the d-band center and metal substitution energy of the dopant site, while the binding energies of N2, N2H, and NH2 all are strongly correlated with the cohesive energies of the dopant metals. The activity of the metal-doped systems shows a volcano type relationship with the NH2 and N2H energies as descriptors. Some metals such as Co, Mo, and V are predicted to slightly improve photo- and electrocatalytic performance, but most metals inhibit the ammonia synthesis reaction. The results provide insight into the role of transition-metal dopants for promoting ammonia synthesis, and the trends are based on unexpected electronic structure factors that may have broader implications for single-atom catalysis and doped oxides.
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