Screening of Transition-Metal Single-Atom Catalysts Anchored on Covalent–Organic Frameworks for Efficient Nitrogen Fixation

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作者
Juan Wang,Zhihua Zhang,Yangyang Li,Yuanyuan Qu,Yongqiang Li,Weifeng Li,Mingwen Zhao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (1): 1024-1033 被引量:47
标识
DOI:10.1021/acsami.1c20373
摘要

Two-dimensional (2D) covalent-organic frameworks (COFs) offer abundant hollow sites for stably anchoring transition-metal (TM) atoms to promote single-atom catalysis (SACs), which is expected to overcome the poor stability of SACs on conventional substrate materials. Using first-principles calculations within density-functional theory, a number of TM atoms embedded on a 2D COF Pc-TFPN (TMPc-TFPN) as SACs for ammonia synthesis under ambient conditions are investigated. Through a "five-step" screening strategy, WPc-TFPN is highlighted from 26 TMPc-TFPNs as the best SACs for nitrogen reduction reaction (NRR) with a low limiting potential of -0.19 V. Meanwhile, multiple-level descriptors are developed to uncover the origins of NRR activity, among which a simple descriptor φ that involves the electronegativity and number of d electrons of TM atoms shows volcano plot trends of limiting potential of NRR. This work provides a rational strategy for fast screening SACs for the electrochemical N2 fixation using 2D COFs containing TM-N4 units as host materials, which could also be applied to other electrochemical reactions.

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