N2 reduction using single transition-metal atom supported on defective WS2 monolayer as promising catalysts: A DFT study

纳米片 催化作用 过渡金属 硫黄 材料科学 金属 单层 Atom(片上系统) 化学物理 化学 纳米技术 有机化学 计算机科学 嵌入式系统 冶金
作者
Xinguo Ma,Jisong Hu,Mingkun Zheng,Di Li,Hui Lv,Hua He,Chuyun Huang
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:489: 684-692 被引量:92
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2019.05.022
摘要

Nitrogen reduction reactions (NRRs) under mild conditions retain an enormous challenge in effective N2 activation on metal-based catalysts. Here, by spin-polarized DFT calculations, we systematically investigated the potential of single transition-metal atoms (Sc to Zn, Nb to Cd, W, Pt and Au) supported on the experimentally available WS2 nanosheets with sulfur vacancies as catalysts for N2 fixation and conversion. The results confirm that the WS2 nanosheet with sulfur vacancies is a good platform for anchoring single transition-metal atoms. Based on proposed several criteria, it is found that the single Ni atoms anchored to sulfur vacancies possess outstanding catalytic activity of NRR. Here, the Ni-WS2 nanosheet acts as likely Lewis-acid system and accepts electrons from the N2*, which causes the weakening of N–N bond. Reaction energy diagrams of the NRRs show that the whole NRRs on Ni-WS2 surface prefer to occur along the alternating associative pathway, and form the ammonia without the requirement of energy input. Overall, our results reveal that the Ni-WS2 system is a quite promising single-atom catalyst with less energy-consuming and good stability for NRRs. These findings could motivate more experimental and theoretical researches to further explore the potential of single transition-metal atoms anchored to two-dimensional substrate materials for NRRs.
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