Computational studies for boosting nitrate electroreduction activity of Fe-N4-C Single-Atom catalyst via axial fifth ligand

催化作用 化学 密度泛函理论 电催化剂 配体(生物化学) 无机化学 吸附 Atom(片上系统) 电化学 物理化学 计算化学 有机化学 生物化学 受体 计算机科学 电极 嵌入式系统
作者
Yu Huang,Chunmei Tang,Qianlin Li,Jiangfeng Gong
出处
期刊:Applied Surface Science [Elsevier BV]
卷期号:616: 156440-156440 被引量:22
标识
DOI:10.1016/j.apsusc.2023.156440
摘要

Single Fe atom coordinated with four planar nitrogen atoms codoped graphene layer (Fe-N4-C) has emerged as one of the promising single atom electrocatalyst (eSAC) for the remediation of nitrate (NO3-). Herein, based on density functional theory (DFT) calculations, it is found that the ligands X (X = O, OH, F, Cl, Br, and I) axially ligated to the Fe center of Fe-N4-C can significantly improve its catalytic activity toward electrocatalytic nitrate reduction (eNO3RR) to ammonia (NH3) with limiting potentials (UL) of 0, −0.36, −0.28, −0.41, −0.25, and − 0.19 eV, respectively. The remarkable catalytic activity should be associated with the well-matched orbitals of the Fe3dxz/Fe3dyz and NOπ∗, together with moderate NO∗ adsorption free energy (ΔGNO∗). Although eNO3RR on O-Fe-N4 is highly energy favorable, extremely low ΔGNO∗ (-0.02 eV) may lead to inferior selectivity toward NH3 product. These findings highlight the role of axial ligand for the eNO3RR properties of Fe-N4-C.
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