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Theoretical and Comparative Analysis of Graphdiyne and Confined Flexible Nitrogen-Doped Graphdiyne-Supported Single-Atom Catalysts for Electrochemical Nitrogen Reduction

催化作用 单层 电化学 Atom(片上系统) 兴奋剂 基质(水族馆) 位阻效应 吸附 氮气 化学 密度泛函理论 结晶学 材料科学 纳米技术 物理化学 计算化学 立体化学 有机化学 嵌入式系统 地质学 海洋学 光电子学 计算机科学 电极
作者
Sen Ru,Mingqi He,Yanan Zhou,Chang Xu,Qiquan Luo,Jinlong Yang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:126 (43): 18282-18291 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.2c04227
摘要

To develop high-performance and low-cost catalysts for electrochemical nitrogen reduction reaction (eNRR) in producing ammonia, a promising alternative to the Haber–Bosch process continues to be a substantial challenge. Herein, by using density functional theory calculations, single-atom-supported pristine and nitrogen-doped (N-doped) graphdiyne (GDY) monolayer-catalyzed eNRR were investigated to realize high performance via rational design. Candidate catalysts include 10 different transition-metal (M = Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, W, Re, and Ru) single-atom-anchored GDY monolayers (M1/GDY) and three different types of N-doped (sp2-N and sp-N) GDY monolayers (M1/Nn-GDY, n = 1–3), with 40 single-atom catalysts (SACs). Both Mo1/N3-GDY and W1/N3-GDY were screened out with rather low theoretical onset potentials of merely −0.36 and −0.41 V, respectively. Further investigation of the exemplar Mo1/N3-GDY system shows that it has high selectivity, stability, and activity toward ammonia. The synergy effect between single-atom Mo and the confined flexibility substrate gives rise to self-adjustment of the coordination microenvironment of Mo1/N3-GDY, that is, this doped first coordination sphere sp-N is confined, yet shows steric flexibility, and transfers into sp2-N without Mo-N bond formation when single-atom Mo is anchored. Therefore, the system regulates adsorption pattern and strength of N2and intermediates, and finally boosts the performance. This work provides a new idea of using a confined flexibility substrate to construct SACs for efficient synthesis of ammonia at ambient conditions.
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