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Tailoring the coordination environment of double-atom catalysts to boost electrocatalytic nitrogen reduction: a first-principles study

催化作用 Atom(片上系统) 二聚体 过渡金属 化学 活动中心 吸附 纳米技术 限制 组合化学 材料科学 物理化学 计算机科学 有机化学 嵌入式系统 工程类 机械工程
作者
Jiarui Wu,Donghai Wu,Haobo Li,Yanhao Song,Wenjing Lv,Xiaohu Yu,Dongwei Ma
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:15 (39): 16056-16067 被引量:48
标识
DOI:10.1039/d3nr03310d
摘要

Tailoring the coordination environment is an effective strategy to modulate the electronic structure and catalytic activity of atomically dispersed transition-metal (TM) catalysts, which has been widely investigated for single-atom catalysts but received less attention for emerging double-atom catalysts (DACs). Herein, based on first-principles calculations, taking the commonly studied N-coordinated graphene-based DACs as references, we explored the effect of coordination engineering on the catalytic behaviors of DACs towards the electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR), which is realized through replacing one N atom by the B or O atom to form B, N or O, N co-coordinated DACs. We found that B, N or O, N co-coordination could significantly strengthen N2 adsorption and alter the N2 adsorption pattern of the TM dimer active center, which greatly facilitates N2 activation. Moreover, on the studied DACs, the linear scaling relationship between the binding strengths of key intermediates can be attenuated. Consequently, the O, N co-coordinated Mn2 DACs, exhibiting an ultralow limiting potential of -0.27 V, climb to the peak of the activity volcano. In addition, the experimental feasibility of this DAC system was also identified. Overall, benefiting from the coordination engineering effect, the chemical activity and catalytic performance of the DACs for NRR can be significantly boosted. This phenomena can be understood from the adjusted electronic structure of the TM dimer active center due to the changes of its coordination microenvironment, which significantly affects the binding strength (pattern) of key intermediates and changes the reaction pathways, leading to enhanced NRR activity and selectivity. This work highlights the importance of coordination engineering in developing DACs for the electrocatalytic NRR and other important reactions.
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