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Synergistic double-atom catalysts of metal-boron anchored on g-C2N for electrochemical nitrogen reduction: Mechanistic insight and catalyst screening

催化作用 电化学 金属 密度泛函理论 吸附 过渡金属 选择性 Atom(片上系统) 基质(水族馆) 化学 材料科学 组合化学 计算化学 有机化学 电极 物理化学 嵌入式系统 地质学 海洋学 计算机科学
作者
Yang Li,Wei An
出处
期刊:Journal of Energy Chemistry [Elsevier BV]
卷期号:80: 350-360 被引量:29
标识
DOI:10.1016/j.jechem.2023.02.006
摘要

The rational design of a novel catalytic center with a sound basis remains both challenging and rewarding for the electrochemical reduction of N2 (eNRR), which has provided a feasible route for achieving clean and sustainable NH3 production under ambient conditions. Herein, using density functional theory calculations, we demonstrate that hybrid metal (M)-boron (B) double-atom catalysts (DACs) embedded in g-C2N substrate (M−[email protected]2N, M = 3d, 4d and 5d transition metals) can achieve both high catalytic activity and high selectivity in eNRR. The proposed M−[email protected]2N DACs have exhibited impressive feasibility and stability thanks to the resilient and robust C2N substrate with abundant pyridinic N atoms distributed among right-sized pore structures. Our results reveal that like the metal center, the embedded B atom can actively involve in NN bond activation via π*-backdonation mechanism concomitant with the substantial charge transfer to adsorbed *N2, leading to sizable NN bond elongation. Accordingly, both adsorption energy and NN bond length of *N2 can be employed as catalytic descriptors for predicting eNRR activity in terms of the limiting potentials (UL). Using high-throughput screening method, we found that six M−[email protected]2N candidates have stood out as the outstanding electrocatalysts for driving eNRR, namely, M = Ti (UL = 0 V), Mo (UL = 0 V), Nb (UL = -0.04 V), W (UL = -0.23 V), Zr (UL = -0.26 V), V (UL = -0.28 V). The underlying origin is attributed to the balanced and constrained N-affinity of M−B dual site working in synergy, which can thus be used as one important guide of catalyst design.
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