Isolated Boron Sites for Electroreduction of Dinitrogen to Ammonia

电化学 密度泛函理论 材料科学 催化作用 金属 无机化学 吸附 化学 计算化学 物理化学 冶金 电极 有机化学
作者
Xin Liu,Yan Jiao,Yao Zheng,Shi Zhang Qiao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:10 (3): 1847-1854 被引量:188
标识
DOI:10.1021/acscatal.9b04103
摘要

Exploring electrocatalysts with high activity is essential for the production of ammonia via an electrochemical routine. By employing density functional theory calculations, we investigated the electrochemical nitrogen reduction reaction (eNRR) activity on binary metal borides, a model system of metal borides. To elaborate the mechanisms, molybdenum borides (Mo2B, α-MoB, and MoB2) were first modeled; the results indicate that the crystal structures greatly impact the N2 adsorption and therefore the electrocatalytic activity. Our electronic structure investigation suggests that boron p-orbital hybrids with dinitrogen π*-orbital, and the population on p−π*-orbital determine the N2 adsorption strength. Therefore, the isolated boron site of Mo2B with less filled pz-orbital benefits the activation of N2 and weaken the triple bond of dinitrogen. This isolated boron sites concept was successfully extended to other metal borides in the form of M2B (M stands for Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Ta, W). Mo2B, Fe2B, and Co2B were discovered as the most promising candidates with low limiting potentials due to appropriate adsorption strength of reaction intermediates led by moderate pz filling. This work provides insights for designing metal borides as promising eNRR electrocatalysts.
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