Design of molecular M N C dual-atom catalysts for nitrogen reduction starting from surface state analysis

Pourbaix图 催化作用 化学 吉布斯自由能 密度泛函理论 电化学 氮气 碳纤维 过渡金属 物理化学 无机化学 计算化学 热力学 材料科学 有机化学 电极 物理 复合材料 复合数
作者
Yuefeng Zhang,Zixun Yu,Fangxin She,Wei Li,Zhiyuan Zeng,Hao Li
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:640: 983-989 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2023.03.033
摘要

Under electrocatalytic conditions, the state of a catalyst surface (e.g., adsorbate coverage) can be very different from a pristine form due to the existing conversion equilibrium between water and H- and O-containing adsorbates. Dismissing the analysis of the catalyst surface state under operating conditionsmay lead to misleading guidelines for experiments. Given that confirming the actual active site of the catalyst under operating conditions is indispensable to providing practical guidance for experiments, herein, we analyzed the relations between the Gibbs free energy and the potential of a new type of molecular metal-nitrogen-carbon (MNC) dual-atom catalysts (DACs) with a unique 5 N-coordination environment, by spin-polarized density functional theory (DFT) and surface Pourbaix diagram calculations. Analyzing the derived surface Pourbaix diagrams, we screened out three catalysts, N3-Ni-Ni-N2, N3-Co-Ni-N2, and N3-Ni-Co-N2, to further study the activity of nitrogen reduction reaction (NRR). The results display that N3-Co-Ni-N2 is a promising NRR catalyst with a relatively low ΔG of 0.49 eV and slow kinetics of the competing hydrogen evolution. This work proposes a new strategy to guide DAC experiments more precisely: the analysis of the surface occupancy state of the catalysts under electrochemical conditions should be performed before activity analysis.
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