Explore the underlying mechanism of graphitic C3N5-hosted single-atom catalyst for electrocatalytic nitrogen fixation

催化作用 选择性 化学 石墨氮化碳 氮气 电化学 过渡金属 金属 解吸 吸附 工作职能 无机化学 光化学 物理化学 电极 光催化 有机化学
作者
Chuye Quan,Shanshan Xiao,Yingwei Yi,Dazhong Sun,Shilei Ji,Shuang Zhou,Jianping Yang,Xianghong Niu,Xing’ao Li
出处
期刊:International Journal of Hydrogen Energy [Elsevier BV]
卷期号:47 (52): 22035-22044 被引量:28
标识
DOI:10.1016/j.ijhydene.2022.04.298
摘要

Single-atom catalysts (SACs) have been proved to be effective catalysts for electrochemical nitrogen fixation. However, most SACs face poor activity and low selectivity due to the inert N≡N and the competing hydrogen evolution reaction (HER). Graphitic C3N5, a recently reported carbon nitride, is a promising substrate for SACs. In this work, a series of transition metal SACs based on g-C3N5 nanosheets are constructed (TM-g-C3N5), and V-g-C3N5 with high activity and selectivity is screened out. The onset potential for nitrogen reduction reaction (NRR) on V-g-C3N5 is −0.30 V, which is lower than most reported catalysts. An in-depth mechanism study reveals that the V atom as active site can tune the electron transfers between TM and nitrogen. The coupling between V and N2 is not too strong or weak, which is beneficial for nitrogen adsorption and ammonia desorption. Furthermore, the ΔG∗N2H < ΔG∗H showing that HER can be effectively suppressed on V-g-C3N5. D-band center (DF) as a function of ΔG∗N2H and ΔG∗H suggests that the 3d orbit of V play an important role in interacting with N2 and minor role with H. This work finds a possible catalyst for NRR and improves the understanding of activity and selectivity of transition metal single-atom catalysis.
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