Proposing explainable descriptors towards enhanced N 2 reduction performance on the two-dimensional bismuthine nanosheets modified by p-block element-based electrocatalysts

电负性 块(置换群论) 要素(刑法) 电子亲和性(数据页) 选择性 电化学 吸附 氧化还原 计算化学 计算机科学 组合化学 化学 物理化学 分子 催化作用 电极 数学 无机化学 政治学 几何学 法学 生物化学 有机化学
作者
Dengning Sun,Xiaokun Du,Jing Chen,Ye Tao,Hao Shen,Ruirui Wang,Ying Wang,Guoqiang Liu,Yangyang Wan,Zhongti Sun
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:27 (25): 13248-13256 被引量:3
标识
DOI:10.1039/d5cp01837d
摘要

p-Block element-based electrocatalysts featuring a tunable electronic structure to achieve exceptional N2 activation and proton suppression have garnered extensive interest for the electrochemical N2 reduction reaction (NRR). Albeit various reaction mechanisms were proposed to understand and optimize the NRR performance, methods to effectively design and rapidly screen potential candidates are still elusive. Herein, a couple of explicit and interpretable descriptors on the entire p-block element-based electrocatalysts are put forward to predict NRR activity and selectivity via high-throughput theoretical simulations and a symbolic regression algorithm, taking two-dimensional (2D) bismuthine with p-block elements doped in or adsorbed as an example. The descriptors are merely composed of inherent atomic properties (p orbital electron number, electron affinity, electronegativity, atomic radius, etc.) combined with algebraic operators, independent of the intricate DFT calculations. Multi-task regression results demonstrate that the doped and adsorbed bismuthine systems possess the same descriptors, namely, the descriptors of doped-Bi can accurately forecast the NRR performance of adsorbed-Bi, and vice versa. Five potential candidates (5/40) with outstanding NRR activity, selectivity and stability are screened. C-doped and Si-doped bismuthine possess less negative limiting potentials of the NRR [UL(NRR)] of -0.46 and -0.68 V and positive [UL(NRR) - UL(HER)] values of 1.15 and 0.13 V, respectively, superior to those of the majority of reported p-block element-based electrocatalysts, which are expected to be verified by the experimental research. This work offers a feasible solution for developing promising electrocatalysts for the NRR and potentially other electrochemical reactions on the basis of explainable descriptors using geometric information and intrinsic atomic quantities.
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