Novel metal-free holey BC4N nanostructure for enhanced photoelectrocatalytic nitrogen reduction: insight from grand-canonical density functional theory

密度泛函理论 光催化 化学物理 电子转移 催化作用 石墨烯 光化学 材料科学 分解水 纳米结构 分子动力学 化学 纳米技术 计算化学 生物化学
作者
Yunyi Li,Wei An,Yibo Wang,Mingming Liu,Ruixian Guo,Xugen Shi,Enduo Dai,Yong Men
出处
期刊:Science China. Materials [Springer Science+Business Media]
卷期号:67 (4): 1192-1201 被引量:18
标识
DOI:10.1007/s40843-023-2805-y
摘要

The carbon-based metal-free catalysts with graphene-like structures have been demonstrated to be highly efficient in promoting both photocatalytic and electrocatalytic reactions. Here, in the framework of constant potential model (CPM), we computationally explore material and catalytic properties of the proposed novel two-dimensional BC4N structure for promoting the photoelectrocatalytic (PEC) N2 reduction reaction (NRR). The results reveal that BC4N as a photocathode exhibits high efficiency of harvesting visible light and ultraviolet light. The photogenerated electrons can deliver a potential of Ue = −1.07 V, sufficient to overcome the potential-limiting step in PEC NRR in continuum aqueous electrolyte solution. Moreover, it is found that the co-adsorbed reaction intermediates play an important role in mediating/facilitating the NRR towards NH3 formation. Ab-initio molecular dynamics simulations indicate that the proton-coupled electron transfer can interplay with the intermolecular hydrogen transfer, leaving NRR mechanism even complicated at the atomic scale. The underlying disparity in CPM and the popular constant charge model was also discussed. This study provides fundamental insight into working mechanism of metal-free semiconducting materials driving photo-assisted PEC NRR under quasi-realistic conditions.
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