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Graphdiyne/main-group metal elements sandwich structure as a promising single atom electrocatalyst for nitrogen reduction: A theoretical investigation

催化作用 化学 电催化剂 选择性 过渡金属 吸附 金属 氨生产 无机化学 电化学 纳米技术 材料科学 物理化学 电极 有机化学
作者
Yang Liu,Manqi Li,Domoina Holiharimanana,Tian Gao,Zhenhua Liu,Shiyao Liu,Hao Sun
出处
期刊:Molecular Catalysis [Elsevier]
卷期号:551: 113665-113665
标识
DOI:10.1016/j.mcat.2023.113665
摘要

In an effort to limit global warming and CO2 emission, ammonia has become a viable hydrogen carrier and alternative fuel. Electrocatalytic nitrogen reduction (e-NRR) has gained much attention as a mean to produce ammonia under mild reaction conditions. Consequently, the advancement of highly efficient and selective catalysts for e-NRR is key in the development of clean energy. Based on the "chainmail" protection catalyst proposed by recent studies, we used first-principles calculations to design a catalyst composed of a single main-group metal atom sandwiched between BN-doped graphdiyne and graphdiyne sheets. The structures, labeled BN-M-G (M = Li, Na, K, Mg, Ca and Al), were investigated as potential catalysts for e-NRR. After screening the most favorable configurations for N2 adsorption and activation, we further explored their e-NRR catalytic properties including efficiency and selectivity. Our results show that the optimal e-NRR path on BN-Mg-G and BN-Al-G is the alternating path with a limiting voltage of -0.47 V and -0.67 V, respectively. In contrast to the competing reaction, hydrogen evolution reaction (HER), both catalysts show high selectivity towards e-NRR. Our work shows that through rational design and electronic structure regulation, main-group-metals-based catalysts can have comparable catalytic activity as transition metal catalysts. This present study offers new insights for the development of low-cost and environmetally-friendly main group metal catalysts.
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