Solar-driven photocatalytic nitrogen fixation on transition metal-doped covalent organic frameworks: First-principles study

催化作用 共价有机骨架 光催化 过渡金属 氮气 材料科学 共价键 固氮 选择性 密度泛函理论 光化学 化学工程 化学 无机化学 纳米技术 有机化学 计算化学 工程类
作者
Wen-qing Hong,Zhimin Ao,Ying Xu
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:125 (9) 被引量:7
标识
DOI:10.1063/5.0223392
摘要

Designing highly efficient single-atom catalysts for converting nitrogen into ammonia under ambient temperature conditions holds significant importance. Current research predominantly focuses on electrocatalytic nitrogen fixation, but compared to that, photocatalytic nitrogen fixation requires only sunlight as an energy source, making it more environmentally friendly and cost-effective. Developing efficient nitrogen reduction reaction (NRR) photocatalysts presents a promising yet highly challenging task. Two-dimensional (2D) covalent organic frameworks (COFs) have garnered interest because of their elevated surface area and regular pore structure. This study employs density functional theory calculations to investigate the potential of NRR photocatalysts using the 2D COF TMT-TFPT-COF (TT-COF) supported with 18 different transition metal atoms (TM = Rh, Nb, Os, Mo, Ru, Pt, Ni, Co, V, Cu, Fe, Re, W, Cr, Ta, Mn, Pd, Ti). Through a four-step selection process, the most promising photocatalyst is identified. The results indicate that a single Re atom loaded onto TT-COF (Re@TT-COF) displays the optimal nitrogen fixation performance, demonstrating excellent catalytic activity and selectivity with a limiting potential of only −0.30 V. Furthermore, its good light absorption efficiency, suitable band edge position, and significant photo-generated electron potential enable spontaneous nitrogen fixation. Our study provides useful guidance for the rational design of COF-based NRR photocatalysts with high activity, stability, and selectivity.
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