Design of Twisted Two-Dimensional Heterostructures and Performance Regulation Descriptor for Electrocatalytic Ammonia Production from Nitric Oxide

化学 一氧化氮 生产(经济) 异质结 氨生产 氧化物 无机化学 纳米技术 化学工程 光电子学 有机化学 工程类 物理 经济 宏观经济学 材料科学
作者
Xingxing Wen,Oleg V. Prezhdo,Lai Xu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (17): 14647-14658 被引量:4
标识
DOI:10.1021/jacs.5c02696
摘要

The electrocatalytic reduction of nitric oxide (NO) to ammonia (NH3) represents an attractive alternative for valorizing waste NO streams (NORR). However, discovering efficient catalysts for NO-to-NH3 conversion remains challenging. We have designed metal-intercalated twisted graphene-BN heterostructures, in which metal atoms act as electron-transfer bridges. The twisted configuration facilitates cross-interface charge transfer, redistributing electrons from the graphene-metal interface to the metal-BN interface and BN surface. This electronic modulation enables boron atom adjacent to the metal center in BN to serve as active sites, promoting strong chemisorption and enhanced activation of NO. After high-throughput screening of the stability and NO capture ability of various transition metal-intercalated twisted heterostructures, we have investigated systematically the NORR pathways across 30 candidates. The results show that the rBN-Ti-Gθ and rBN-V-Gθ heterostructures exhibit exceptional NO-to-NH3 catalytic performance under optimized twisting conditions. Additionally, using sure independence screening and sparsifying operator (SISSO) for model training, we propose a descriptor and establish a relationship between the twist angle and catalytic activity. This study bridges the gap in applying twisted heterostructures to NORR electrocatalysis and provides new insights and strategies for designing high-performance NORR catalysts.
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