Transition Metal-Modified Co4 Clusters Supported on Graphdiyne as an Effective Nitrogen Reduction Reaction Electrocatalyst

化学 催化作用 Pourbaix图 电催化剂 过渡金属 杂原子 氧化还原 电化学 氨生产 密度泛函理论 氮气 无机化学 物理化学 计算化学 有机化学 电极 戒指(化学)
作者
Yao Luo,Mengyuan Li,Yuxin Dai,Renqiang Zhao,Fan Jiang,Sufan Wang,Yucheng Huang
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:60 (23): 18251-18259 被引量:31
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.1c02880
摘要

Conversion of N2 into NH3 through the electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) under ambient conditions represents a novel green ammonia synthesis method. The main obstacle for NRR is lack of efficient, stable, and cost-effective catalysts. In this work, by using density functional theory calculations, 16 transition metal-modified Co4 clusters supported on graphdiyne (GDY) as potential NRR catalysts were systematically screened. Through the examinations of stability, N2 activation, selectivity, and activity, Ti-, V-, Cr-, Mn-, and Zr-Co3@GDY were identified as the promising candidates toward NRR. Further explorations on the NRR mechanisms and the Pourbaix diagrams suggest that Ti-Co3@GDY was the most promising candidate catalyst, as it has the lowest limiting potential and high stability under the working conditions. The high activities originate from the synergy effect, where the Co3 cluster acts as the electron donor and the heteroatom serves as the single active site throughout the NRR process. Our results offer a new perspective for advancing sustainable NH3 production.
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