Enhanced electrocatalytic activity for nitrobenzene reduction via p–d orbital hybridization in single- and dual-atom catalysis

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作者
Mingqiang Liu,Yi Yang,Xiaoqing Gong,Yuanyuan Yu,Xiaohong Song,Kefeng Xie
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:18 (7): 3682-3697 被引量:1
标识
DOI:10.1039/d5nr04666a
摘要

Aniline (PhNH2) is usually prepared via the hydrogenation of nitrobenzene (PhNO2) under high-temperature and high-pressure conditions. Consequently, the development of electrocatalytic PhNO2 hydrogenation catalysts with high activity under mild conditions is of great significance for the green preparation of PhNH2 and for electrochemical energy storage applications. In this paper, a series of single-atom catalysts and the corresponding dual-atom catalysts were designed to explore the electrocatalytic reduction mechanism of PhNO2 and to screen the optimal catalyst. First, 14 types of transition-metal single-atom catalysts (SACs; Co, Cu, Ni, Fe, Pd, Au, Ag, Cd, Ir, Mo, Rh, Mn, Zn, and Cr) were supported on nitrogen-doped graphene to theoretically screen their electrocatalytic performance for PhNO2 hydrogenation using density functional theory (DFT). Among these, the Co SAC showed the highest catalytic activity and selectivity. Second, 10 kinds of N-doped graphene-supported Co-M-N6V4-G dual-atom catalysts [M = Al, Ga, Ge, In, Sn, Sb, Tl, Pb, Bi, and Co] were designed to explore the synergistic effect of the diatomic sites. The screened Co-Bi-N6V4-G catalyst exhibited the best catalytic activity and selectivity based on structural stability, free energy diagrams, limiting voltage, and the hydrogen evolution reaction. Third, electronic structure analysis of the dual-atom catalyst showed that the improved performance of the catalyst is due to the regulation of the interaction between nitrobenzene and the catalyst via the p-d orbital hybridization in Co-Bi-N6V4-G. This study provides a new theoretical method for the design of dual-atom catalysts at the atomic orbital level.
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