A Simple Descriptor toward Optimizing Electrocatalytic N2 Oxidation to HNO3 Performance over Graphene-Based Single-Atom Catalysts

石墨烯 催化作用 简单(哲学) Atom(片上系统) 材料科学 电催化剂 纳米技术 无机化学 化学工程 电化学 物理化学 计算机科学 化学 电极 工程类 有机化学 嵌入式系统 哲学 认识论
作者
Chuang Zhi,Shouyu Cai,Dengning Sun,Juan Yang,Zhongti Sun
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:: 2742-2751
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.5c00234
摘要

Single-atom catalysts (SACs) exhibit tremendous advantages in the electrochemical N2 oxidation reaction (EN2OR) to HNO3, which is an eco-friendly alternative to the synthesis of conventional industrial nitric acid and nitrates, but methods to rationally design and rapidly screen high-efficiency EN2OR SACs are unclear. Herein, taking pyridinic nitrogen-doped graphene-supported SACs as an example, a simple descriptor has been proposed to evaluate the EN2OR performance through systematically constructing a surface reaction phase diagram. This descriptor is comprised of merely the geometric information and inherent atomic properties (occupied d electron number, electronegativity, and coordinate number) that can accurately predict the activity and selectivity of EN2OR, independent of DFT simulations. Based on this descriptor, high-throughput screening has been executed on partially N/C/O coordinated SACs, including 160 candidates; 13 candidates with the overpotential of less than 1.0 V are selected and then validated by DFT calculations with a mean absolute error (MAE) as low as 0.09 V, indicating the reliability of the descriptor. Meanwhile, the screened CoO2N2-G and RhO2N2-G SACs exhibit lower EN2OR overpotential of 0.64 and 0.68 V and more negative UL(EN2OR) - UL(OER) values of -0.34 and -0.44 V in comparison to other candidates, respectively, demonstrating the excellent activity and selectivity of EN2OR. This work offers a route to rapid discovery of high-performance SACs for EN2OR.

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