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Work function regulation of surface-engineered Ti2CT2MXenes for efficient electrochemical nitrogen reduction reaction

MXenes公司 原子轨道 空位缺陷 材料科学 化学物理 过渡金属 密度泛函理论 电子转移 纳米技术 催化作用 计算化学 化学 物理化学 电子 结晶学 物理 量子力学 生物化学
作者
Yaqin Zhang,Ninggui Ma,Tairan Wang,Jun Fan
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:14 (35): 12610-12619 被引量:45
标识
DOI:10.1039/d2nr01861f
摘要

Electrochemical conversion of nitrogen to ammonia is a promising method in modern agriculture and industry due to its suitability and feasibility under mild conditions. Therefore, seeking electrocatalysts and understanding the catalytic mechanisms are of great importance. In this work, by combining the concept of the synergetic effect of the terminal vacancy and transition metal active center, we studied the whole catalytic mechanism of defective Ti2CT2 MXenes with functional groups (T = O, F, H, OH) by employing first-principles calculations. It is demonstrated that the electron transfer behavior of 2D transition metal carbides can be tuned by modifying the surface functional groups. Herein, the rarely investigated work function regulation is proved to effectively alter the electron transfer ability, thus the binding strength of key intermediates on the surface can be optimized. Besides, Ti2CO2 with an oxygen vacancy is identified as a promising candidate through a distal mechanism, where the calculated electronic properties reveal that the introduction of in-gap states is responsible for activating N2 with physical adsorption. In addition, obvious orbital splitting of the σ and π* orbitals of N2 is observed due to the hybridization of frontier orbitals. The symmetry matching rule of the frontier orbitals of π* 2p and the σ 2p orbitals of N with Ti d orbitals further illustrates the "acceptance-donation" interaction. These theoretical insights highlight the underlying mechanism of the synergetic effect of surficial vacancy and exposed transition metal atoms, and provide an alternative view of designing efficient NRR electrocatalysts.
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