A theoretical evaluation of possible transition metal electro-catalysts for N2reduction

过渡金属 催化作用 电解质 氨生产 密度泛函理论 化学 法拉第效率 电极 化学物理 标准氢电极 电化学 无机化学 金属 物理化学 计算化学 参比电极 有机化学 生物化学
作者
Egill Skúlason,Thomas Bligaard,Sigríður Guðmundsdóttir,Felix Studt,Jan Rossmeisl,Frank Abild‐Pedersen,Tejs Vegge,Hannes Jónsson,Jens K. Nørskov
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:14 (3): 1235-1245 被引量:1353
标识
DOI:10.1039/c1cp22271f
摘要

Theoretical studies of the possibility of forming ammonia electrochemically at ambient temperature and pressure are presented. Density functional theory calculations were used in combination with the computational standard hydrogen electrode to calculate the free energy profile for the reduction of N(2) admolecules and N adatoms on several close-packed and stepped transition metal surfaces in contact with an acidic electrolyte. Trends in the catalytic activity were calculated for a range of transition metal surfaces and applied potentials under the assumption that the activation energy barrier scales with the free energy difference in each elementary step. The most active surfaces, on top of the volcano diagrams, are Mo, Fe, Rh, and Ru, but hydrogen gas formation will be a competing reaction reducing the faradaic efficiency for ammonia production. Since the early transition metal surfaces such as Sc, Y, Ti, and Zr bind N-adatoms more strongly than H-adatoms, a significant production of ammonia compared with hydrogen gas can be expected on those metal electrodes when a bias of -1 V to -1.5 V vs. SHE is applied. Defect-free surfaces of the early transition metals are catalytically more active than their stepped counterparts.
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