Vacancy-Induced Anionic Electrons in Single-Metal Oxides and Their Possible Applications in Ammonia Synthesis

化学 空位缺陷 金属 电子 无机化学 化学物理 光化学 计算化学 结晶学 有机化学 核物理学 物理
作者
Jingyu Yang,Jinbo Pan,Jun Deng,Yanfang Zhang,Yuhui Li,Yongqian Zhu,Guolin Wan,Shixuan Du
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (30): 21160-21167 被引量:9
标识
DOI:10.1021/jacs.4c07362
摘要

Realizating of a low work function (WF) and room-temperature stability in electrides is highly desired for various applications, such as electron emitters, catalysts, and ion batteries. Herein, a criterion based on the electron localization function (ELF) and projected density of states (PDOS) in the vacancy of the oxide electride [Ca24Al28O64]4+(4e-) (C12A7) was adopted to screen out 13 electrides in single-metal oxides. By creating oxygen vacancies in nonelectride oxides, we find out 9 of them showed vacancy-induced anionic electrons. Considering the thermodynamic stability, two electrides with ordered vacancies, Nb3O3 and Ce4O3, stand out and show vacancy-induced zero-dimensional anionic electrons. Both exhibit low WFs, namely 3.1 and 2.3 eV for Nb3O3 and Ce4O3, respectively. In the case of Nb3O3, the ELF at oxygen vacancies decreases first and then increases during the decrease in the total number of electrons in self-consistent calculations due to Nb's multivalent state. Meanwhile, Ce4O3 displays promise for ammonia synthesis due to its low hydrogen diffusion barrier and low activation energy. Further calculations revealed that CeO with disordered vacancies at low concentrations also exhibits electride-like properties, suggesting its potential as a substitute for Ce4O3.
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