Graphdiyne coordinated transition metals as single-atom catalysts for nitrogen fixation

催化作用 限制 过渡金属 化学 单层 吸附 氮气 Atom(片上系统) 分子 金属 氧化还原 无机化学 结晶学 物理化学 有机化学 生物化学 计算机科学 嵌入式系统 机械工程 工程类
作者
Zhen Feng,Yanan Tang,Weiguang Chen,Yi Li,Renyi Li,Yaqiang Ma,Xianqi Dai
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:22 (17): 9216-9224 被引量:97
标识
DOI:10.1039/d0cp00722f
摘要

The reduction of N2 molecules to NH3 is a very challenging task in chemistry. The electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) is a promising technology for NH3 synthesis. By using first-principles calculation, a new class of single-atom catalysts (SACs), graphdiyne coordinated single transition metal atoms (TM@GDY, TM = Sc-Zn, Y-Cd, and La-Hg) were designed, and the NRR catalytic character of TM@GDY was systematically investigated. The results demonstrated that some TM@GDY (TM = Ti, V, Fe, Co, Zr, Rh, and Hf) monolayers exhibit better NRR activities than a Ru(0001) stepped surface. There is an obvious linear correlation between the limiting potential and the atomic N adsorption energy, which confirms that the N adsorption energy may be a descriptor for evaluation of the NRR catalytic performance. The V@GDY monolayer possesses the best NRR catalytic character with the lowest limiting potential of -0.67 V and the potential-limiting step (PLS) of *N2→ *NNH for both alternating and distal mechanisms. Our results highlight a new family of efficient and stable TM@GDY catalysts and provide useful guidelines for SAC development and practical applications.
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