Novel Design Strategy of High Activity Electrocatalysts toward Nitrogen Reduction Reaction via Boron–Transition-Metal Hybrid Double-Atom Catalysts

材料科学 催化作用 过渡金属 价(化学) 氮气 选择性 金属 化学 有机化学 冶金
作者
Yibo Wu,Cheng He,W. X. Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (40): 47520-47529 被引量:76
标识
DOI:10.1021/acsami.1c11889
摘要

Electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) is a promising method for sustainable production of NH3, which provides an alternative to the traditional Haber–Bosch process. However, the poor Faraday efficiency caused by N≡N triple bond activation and competitive hydrogen evolution reaction (HER) have seriously hindered the application of NRR. In this work, a novel strategy to promote NRR through boron–transition-metal (TM) hybrid double-atom catalysts (HDACs) has been proposed. The excellent catalytic activity of HDACs is attributed to a significant difference of valence electron distribution between boron and TMs, which could better activate N≡N bonds and promote the conversion of NH2 to NH3 compared with boron or metal single-atom catalysts and traditional double-atom catalysts (DACs). Hence, by means of DFT computations, the stability, activity, and selectivity of 29 HDACs are systematically investigated to evaluate their catalytic performance. B–Ti@g-CN and B–Ta@g-CN are screened as excellent nitrogen-fixing catalysts with particularly low limiting potentials of 0.13 and 0.11 V for NRR and rather high potentials of 0.54 and 0.82 V for HER, respectively. This work provides a new idea for the rational design of efficient nitrogen-fixing catalysts and could also be widely used in other catalytic reactions.
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