Tailoring Electronic Structure of Copper Twin Boundaries Toward Highly Efficient Nitrogen Reduction Reaction

原子轨道 密度泛函理论 化学 催化作用 电子结构 氨生产 氧化还原 过渡金属 化学物理 计算化学 无机化学 电子 物理化学 物理 量子力学 有机化学 生物化学
作者
Tianyi Dai,Zhili Wang,Zi Wen,Xingyou Lang,Qing Jiang
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:15 (19) 被引量:1
标识
DOI:10.1002/cssc.202201189
摘要

Abstract Electrocatalytic nitrogen reduction reaction (NRR) is a promising technique to resolve the carbon emission in energy‐intensive ammonia production in industry, which, however, is hampered by the lack of efficient catalysts. Herein, by density functional theory (DFT) calculations, it was demonstrated that the twin boundary (TB) of copper could effectively relieve the N 2 activation barrier in NRR. The d orbitals overlapping mode on twin boundary edge (TBE) was quite different from that on its basal plane, where the d xz , d yz orbitals induced unbalanced electron occupation states in π*–p x , p y orbitals of the adsorbed N 2 , which could effectively activate the N≡N bond. Particularly, doping transition metals (TMs) onto Cu‐TBE could further improve its NRR catalytic behavior, and the Re−Cu(111)‐TBE showed the lowest limiting potential ( U L ) of −0.27 V among 25 considered TMs. Moreover, the Re−Cu(111)‐TBE could effectively suppress the competing hydrogen evolution reaction even under working potentials. This work has provided a deep understanding of TB in catalysis from an electronic structure point of view, paving a way for further studies of TB into advanced utilization.
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