Nitrogen-doped graphdiyne for efficient electrocatalytic N2 reduction: A first-principles study

限制 材料科学 空位缺陷 电化学 选择性 氧化还原 氮气 图形 化学 兴奋剂 计算化学 物理化学 结晶学 无机化学 数学 组合数学 有机化学 电极 催化作用 工程类 机械工程 光电子学
作者
Gang Wang,Weiquan Cai,Ting Fan,Yongfei Ji
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier]
卷期号:570: 151109-151109 被引量:16
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2021.151109
摘要

Electrocatalytic fixation of N2 has attracted intensive attention as an alternative for the Harbor–Bosh technique. In this work, the activity of N-doped graphdiyne (GDY) for electrochemical N2 reduction reaction (NRR) was investigated with density functional theory. Four different models were considered, namely the Graph-N, sp-N-1, sp-N-2, and pyridinic-N GDY. Electronic structure analysis reveals that N-doing increases the positive charges on adjacent carbon atoms, which greatly promotes the adsorption and activation of N2. The sp-N-2 GDY is the most active one among the substitutionally doped models with a limiting potential of −0.99 V. For pyridinic-N GDY, NRR follows a Mars–van Krevelen (MvK) pathway with a limiting-potential of −1.22 V. More importantly, we found that Graph-C vacancy created in the MvK path can efficiently reduce N2 with a low limiting-potential of −0.41 V via a hybrid pathway. Besides, the selectivity for NRR over hydrogen evolution reaction is also enhanced on sp-N-2 GDY and the defective GDY with Graph-C vacancy. This work provides a comprehensive understanding of the activity and selectivity of N-doped GDY and suggests that the sp-N-2 and pyridinic-N doping greatly enhance the performance of GDY for NRR.
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