Heterogeneous single-cluster catalysts (Mn3, Fe3, Co3, and Mo3) supported on nitrogen-doped graphene for robust electrochemical nitrogen reduction

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作者
Guokui Zheng,Lei Li,Ziqi Tian,Xingwang Zhang,Liang Chen
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier]
卷期号:54: 612-619 被引量:61
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2020.06.048
摘要

Electrochemical nitrogen reduction reaction (NRR) is one of the most promising alternatives to the traditional Haber-Bosch process. Designing efficient electrocatalysts is still challenging. Inspired by the recent experimental and theoretical advances on single-cluster catalysts (SCCs), we systematically investigated the catalytic performance of various triple-transition-metal-atom clusters anchored on nitrogen-doped graphene for NRR through density functional theory (DFT) calculation. Among them, Mn3-N4, Fe3-N4, Co3-N4, and Mo3-N4 were screened out as electrocatalysis systems composed of non-noble metal with high activity, selectivity, stability, and feasibility. Particularly, the Co3-N4 possesses the highest activity with a limiting potential of −0.41 V through the enzymatic mechanism. The outstanding performance of Co3-N4 can be attributed to the unique electronic structure leading to strong π backdonation, which is crucial in effective N2 activation. This work not only predicts four efficient non-noble metal electrocatalysts for NRR, but also suggest the SCCs can serve as potential candidates for other important electrochemical reactions.

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